Alterations of specific chromatin conformation affect ATRA-induced leukemia cell differentiation
期刊：Cell Death & Disease
影响因子：6.044
主要技术：Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq
发表时间：2018年
研究背景
染色体形成多层次构象在基因表达调控中起着至关重要的作用。高通量染色体构象捕获(Hi-C)揭示了基因组被组成几百几千碱基到一个百万碱基长度的拓扑相关域(topological associated domain, TADs)，其中染色质区域TAD内部作用强于TAD外部。在所有的细胞类型中，TAD位置在进化过程中基本保守。然而，同一TADs内的基因在激素刺激或分化过程中表达是协调变化，这表明TADs不仅可作为结构单位，而且还可以作为转录调控的功能单位。此外，在TADs中，由特定蛋白或非编码RNA介导的长期染色质相互作用连接远端调控区域，如增强子和基因启动子，使基因远端表达调控成为可能。
摘要
在本研究中，作者采用全反式维甲酸（ATRA）诱导的HL-60细胞作为白血病细胞分化的模型。用高通量测序（Hi-C）、染色质免疫沉淀联合高通量测序（ChIP-seq）、转座酶可及染色质联合高通量测序（ATAC-seq）和RNA测序（RNA-seq）的方法分析并观察差异表达基因（DEGs）在TAD中非随机分布。在TADs中，基因与调控区域之间的染色质相互作用与基因表达水平和染色质可及性呈正相关。关键转录因子GATA2的表达和DNA结合在ATRA诱导后均下调；同时，染色质之间的相互作用GATA2启动子和上游增强子丢失，增强子中染色质可及性改变。
关键词
白血病；HL-60细胞系；Hi-C；肿瘤治疗药物靶点
技术路线
研究结果
1. ATRA诱导后间室和TAD位置无明显变化
在对照组和ATRA处理的细胞中都观察到类似的沿热图对角线的组织模式，这表明ATRA诱导后基因组的基本结构单元保持稳定。在ATRA诱导中，仅有0.81%的基因组表现出从A到B的间隔模式改变，0.48%的基因组表现出从B到A的间隔模式改变，说明基因组的间隔模式普遍保守，说明染色质构像和TAD位置在细胞间隔水平上没有明显变化。（图1）。
图1 ATRA诱导HL-60分化过程中的染色质构象
2. ATRA诱导改变了基因调控染色质的相互作用
染色质相互作用可以将远端调控元件、启动子和TSS移动到转录调控所需的邻近位置。通过计算TADs内部的ChIP-seq信号变化染色质相互作用增加的TADs H3K4me3和H3K27ac水平相对增加，而染色质相互作用减少的TADs则相反。大多数基因调控相互作用可能会增强或至少促进靶基因表达，这可能与抑制或沉默基因表达的异染色质区域中的大多数基因间相互作用形成鲜明对比（图2）。
图2ATRA诱导的差异基因调控相互作用分析
3.差异基因调控染色质相互作用与染色质可及性的改变相关
转录因子与开放性染色质区域的结合调节增强子活性和基因表达，并协调细胞分化。在ATRA处理的细胞中识别出41988个峰值，在对照细胞中识别出30870个峰值。总的来说，ATRA处理的细胞(ATRAspecific peak)能识别18446个峰，而对照细胞(control-specific cell)只能识别7328个峰。调控区域富集趋势强于基因区域，说明开放染色质区域特别是远端调控区域TF结合的变化调控染色质的形成。在调控网络中，作者发现GATA2作为网络度最高的最重要的枢纽节点。此外，GATA2与大多数富含ATAC-seq峰的转录因子以及已知的粒细胞分化关键调控因子相互作用通过整合染色质可达性信息和转录调控网络，作者发现GATA在ATRA诱导HL-60分化过程中可能是一个重要的转录因子（图3）。
图3 DLO Hi-C的流程图以及与其它Hi-C方法的比较
4. 失去基因loop结构可以抑制ZBTB16 mRNA的表达
通过4C实验进一步鉴定了GATA2及ZBTB16基因的关键增强子区域。在诱导分化过程中，这些增强子区域与启动子互相作用的减弱与GATA2和ZBTB16表达水平的显著下调密切相关，在此基础上提出了调控蛋白的结合是否引起基因loop结构消失的模型（图4）。
图4失去了基因loop结构ZBTB16 ATRA诱导
总结
作者建立了一个整合多个组学数据的实验和计算框架，研究染色质构象与转录调控的关系。将该框架应用于ATRA诱导的白血病分化过程中，提出特异性染色质构象改变影响关键基因转录和染色质构象，为疾病治疗提供一种新的潜在药物靶点。
参考文献
Li Y , He Y , Liang Z , et al. Alterations of specific chromatin conformation affect ATRA-induced leukemia cell differentiation[J]. Cell Death & Disease, 2018, 9(2):200.