2021-12-06

Nature丨细胞类型由染色质拓扑学编码

原创 珍奇 图灵基因 2021-12-06 10:56

收录于话题#前沿分子生物学技术

撰文：珍奇

IF：49.962

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亮点：

本研究报告了与基因表达模式相关的多个基因组尺度的细胞类型特化 3D 染色质结构；发现当长基因高度表达或具有高染色质可及性时，它们会发生广泛的“融合”；最具体的神经元亚型的接触包含与特殊过程相关的基因（例如成瘾和突触可塑性），这些基因在可接近的染色质区域内具有神经元转录因子的假定结合位点；感觉受体基因优先存在于脑细胞的异色区室中，这些区室在数十兆碱基之间建立了强大的联系。

染色质的3D结构与基因调控和细胞功能有紧密的内在联系，基于染色质构象捕获的方法已经绘制了神经元系统中的染色质结构。2021年11月17日，《Nature》杂志上发表了一篇名为“Cell-type specialization is encoded by specific chromatin topologies”的研究性论文，该研究团队开发了一种基因组结构映射 (GAM)技术—ImmunoGAM，可用于在特定脑细胞类型中绘制全基因组 3D 染色质拓扑图，且不会破坏单个动物的组织。其研究结果表明，脑细胞中高度特异性的染色质构象与基因调控机制和特殊功能密切相关。

为了探索基因组折叠与细胞特化的关系，他们用immunoGAM 对小鼠脑组织进行切片，并分析了三种具有不同功能的细胞类型，分别是来自体感皮层的少突胶质细胞及其前体（OLG），来自海马背侧角 1 (CA1) 的锥体谷氨酸能神经元 (PGNs)，及来自中脑腹侧被盖区 (VTA) 的多巴胺能神经元 (DN)。在基因组提取前，他们通过免疫荧光和细胞标记抗体从脑组织切片中选择细胞类型。随后，他们使用绝缘平方方法计算局部接触密度和拓扑域，并使用主成分分析（PCA）计算与开放染色质（隔间 A）和闭合染色质（隔间 B）相关的隔间。由于Pcdh 基因座的细胞类型特异性，他们对其进行了研究，它包含三个细胞粘附基因簇（Pcdha、Pcdhb 和 Pcdhg）并占据 mES 细胞中的两个拓扑相关域（TAD）。immunoGAM 在特定脑细胞类型中的应用揭示了 3D 染色质结构在短程和长程基因组长度上的大量重排。

TAD 水平接触中复杂而广泛的细胞类型特异性变化很常见，如包含编码钠电压门控通道亚基的 Scn 基因的 4-Mb 区域。在本研究中，总共获得了大约 2,300 个跨细胞类型的TAD，中位数长度约为 1 Mb，这与之前的报告一致。许多参与特殊功能的神经元基因很长（> 300 kb），并且由于复杂的 RNA 加工而产生许多同种型，染色质重组在PGN 和 DN 中的长基因上最为明显。高度表达的基因在 TSS 和 TES 以及 DN 和 PGN中的整个基因体中的绝缘性明显较低，但在 OLG 或 mES 细胞中则不然。高度表达的长神经元基因的一般接触损失让人想起去凝聚或“融化”过程。为了以无偏见的方式检测全基因组融合，研究者设计了 MELTRON 管道， MELTRON 将“熔解分数”计算为两种细胞类型之间和感兴趣区域内一系列基因组尺度。他们在脑细胞和 mES 细胞之间发现了120-180 个熔解基因。熔解基因比非熔解长基因明显更多地转录并显示出更高的染色质可及性，尤其是在 PGN 和 DN 中。且相关实验结果表明，长基因的广泛融合与拓扑约束的解除有关。

接下来他们更详细地研究了神经蛋白 3 (Nrxn3) 和 RNA 结合 Fox 1 同源物 1 (Rbfox1) 基因的熔解，这两种基因都对拓扑异构酶 I 抑制高度敏感。 Nrxn3 编码一种参与突触连接和可塑性的膜蛋白。在 mES 细胞中，Nrxn3 跨越两个具有高接触密度的TAD，位于 B 区并与核层和核仁结合。在 DN 中，Nrxn3 广泛融化，高度转录和可访问，属于A区。 Rbfox1 编码调节选择性剪接的 RNA 结合蛋白。在 mES 细胞中，Rbfox1 位于隔室 A 的密集接触域内，具有非常低的表达和低染色质可及性。为了进一步了解 Nrxn3 区域的熔化过程，他们使用基于聚合物物理学的方法在来自 GAM矩阵的 mES 细胞和 DN 中生成 3D 模型的集合。随后，他们在冷冻切片上应用荧光原位杂交，使mES 细胞和 PGN 中的 Rbfox1可视化。GAM 数据的聚合物建模和单细胞成像共同强调了结构域熔化是以前未被重视的超长基因拓扑特征。当基因在脑细胞类型中高度表达或高度可及时会发生结构域融合，并且该过程被免疫 GAM 有力地捕获。相对于 mES 细胞，脑细胞中长基因的去凝聚通常与它们的染色体接触的广泛重组相吻合，优先与增加的染色体内接触同时发生。

为了探索广泛的染色质重排如何与顺式调控元件和表达基因的变化相关，他们提取了 5 Mb 内 PGNs 和 DNs 之间的最高（5%）差异接触。随后，他们又搜索了包含最常见TF 对组合的差分接触。在 PGN 中，Neurod1 和/或 Neurod2 假定结合位点的同源二聚体和异源二聚体表征了最丰富的接触，以及Egr1、Etv5、Lhx2、Maz、Nr3c1、Pou3f2 和 Ubp1（Neurod 组；5,572 个接触）。在 DN 中，包含 Neurod1 和 Neurod2 的触点以异源二聚体形式出现（660 个触点）。 DN 中最常见的 TF-基序对是 Ctcf 同源二聚体（分别为 892 和 781 个触点），在 PGN 中位居第二。每个 TF-motif 组中的许多接触在两个接触窗口（DNs 中30-45%，PGNs 中 40-50%）中都含有表达的基因，这些基因显着高于全基因组或前5% 的接触频率（10-16 %)，许多在 PGN 和 DN 之间差异表达。在 PGN 特异性接触中，Neurod 和 Ctcf-Ctcf 组都包含 PGN 上调基因，其 GO 术语与突触可塑性有关。两个 PGN 上调基因，Dlg4（对长时程增强很重要）和 Shisa6（在可塑性过程中防止AMPA 受体脱敏）存在于包含其他活动相关基因的 Neurod 接触中心内，包括Map2k4 和 Dnah9。在 Foxa1-TF、Neurod-TF或 Ctcf-Ctcf对中发现的 DN 上调基因参与突触组织和成瘾途径。总之，他们的策略确定了特定于不同神经元类型的染色质接触中心，这些中心包含不同表达的 TF 的假定结合位点。这些相互连接的枢纽将具有特殊神经元功能的远端基因聚集在一起，例如 PGN 中的突触可塑性或 DN 中的药物成瘾。

最后，他们研究了所有细胞类型之间 A/B 区室化的广泛变化，发现脑细胞和 mES 细胞之间区室特征向量值的 Pearson 相关性最低，而神经元复制之间的相关性最高。从mES 细胞到脑细胞的 B-to-A 转换包含 335 个基因，在脑细胞中的表达比在 mES 细胞中的表达更强。丰富的 GO 术语包括“行为”和“门控离子通道活动”。除了在 mES 细胞中高度表达的 50 个转录调控基因外，mES 细胞到脑细胞的 A 到 B 转换在所有细胞类型中都包含大部分沉默基因。此外，他们发现 A 到 B 转换富含感觉受体基因。Vmn 和Olfr 基因通常涉及跨度高达 50 Mb 的脑细胞中的强接触簇。当 B 区室包含 Vmn 或在较小程度上包含 Olfr 基因时，脑细胞中的远程接触明显更强。这一结果表明，感觉基因不仅更可能属于异色 B 区室，而且更强烈地与脑细胞中的其他 B 区室接触。

教授介绍：

Ana Pombo，洪堡大学（Humboldt University）生物学教授，柏林布赫（Berlin-Buch）马克斯·德尔布吕克（MaxDelbrück）分子医学中心的柏林医学系统生物学研究所的高级组长，其研究重点是“表观遗传学调控和染色质结构”。其实验团队在多个层面研究基因表达的机制，从转录因子的局部作用到将调节 DNA 序列与其调节的基因连接起来的长程染色质循环事件，再到整个染色体如何在细胞核内定位。他们的目标是通过整合多个参数以阐释高等真核生物基因组的功能原理。

参考文献：

Winick-Ng, W., Kukalev, A., Harabula, I.etal.Cell-type specialization is encoded by specific chromatintopologies.Nature599, 684–691 (2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-04081-2