Nature Genetics | 哺乳动物增强子互作图谱揭示增强子激活增加启动子-增强子间的相互作用机制
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科学
2024-03-27 00:13
湖北
增强子或顺式调控元件可确保在发育过程中对基因表达进行精确的时空控制。该过程由转录因子和共激活因子介导，转录因子和共激活因子将调控信息从增强子传递到其靶启动子，距离可超过1 Mb。这种增强子-启动子（E-P）通讯被认为发生在拓扑相关结构域（TAD）内。远程增强子被认为通过染色质环（loop）建立的物理接近性与其靶基因进行通信。然而，物理接近是否与增强子功能有关仍不清楚。过去的研究集中在基于开放染色质区、共激活因子、增强子RNA或增强子相关组蛋白修饰等经过充分鉴定的遗传位点或增强子，真正意义上发育的增强子主要激活模式仍然不清楚。2024年3月20日，来自美国加利福利亚大学的 Evgeny Z. Kvon等团队合作在国际顶级期刊《Nature Genetics》上在线发表了题为“Increased enhancer-promoter interactions during developmental enhancer activation in mammals”的研究论文。该研究开发了增强子捕获Hi-C技术，结合组蛋白修饰ChIP-seq和RNA-seq数据结果，绘制小鼠胚胎发育的增强子相关的染色质相互作用图谱，提供了组织特异性增强子3D染色质构象的全局视图，并支持E-P物理接近对发育基因激活的广泛重要性。![]()
该研究以小鼠胚胎发育的十种组织为研究对象，搜集经过实验验证的覆盖发育小鼠多个组织体内的935个增强子数据集，设计RNA探针，利用捕获Hi-C技术绘制了以增强子为中心的染色质相互作用图谱。通过质控分析，研究在所有组织中共鉴定到了24,657 个显著相互作用，其中17,988个是以增强子为诱饵的。大约80%的增强子的相互作用在同一个TAD中被调用，这些相互作用包括 E-P（2,818）、增强子-增强子（E-E）（5,612）、增强子-CTCF（5,140）和其他类型的接触。大多数增强子仅与一个或两个基因相互作用，增强子和靶启动子之间的中位距离为~410 kb。研究还鉴定了人类先天性疾病有关的增强子重叠突变与其相关组织中推定靶基因之间的显著组织特异性染色质相互作用，包括先前表征的参与先天性畸形和自闭症的增强子等。这些结果为疾病相关增强子与其体内靶基因之间的特定调控关系提供了额外的证据，并进一步支持通过捕获Hi-C鉴定的E-P染色质相互作用的可靠性。随后，研究发现近61%的增强子没有与相邻基因的启动子相互作用，而是与更远端的基因接触，如前脑增强子hs271与位于~650 kb外的Nr2f1启动子强烈相互作用，但与更近端的Pou5f2启动子不形成任何显着的相互作用。所有被跳过的基因都可以根据其表观遗传状态（甲基化）分为两类，结合分析基因表达和组蛋白修饰信息，结果表明研究中的大多数发育增强子绕过了邻近的基因，这些基因通常是无活性的，并以启动子CpG甲基化为标志。接下来，为了评估已鉴定的E-P染色质相互作用的功能和特异性，研究创建了脑增强子hs654、hs267、hs266 和 hs853的敲除小鼠，在小鼠胚胎脑中这四种增强子与其推定靶基因的启动子形成显著的染色质相互作用。对这些敲除系的小鼠进行RNA-seq评估组织特异性的基因表达，结果发现相关靶基因表达都明显下调，说明增强子的丢失导致其相互作用的靶基因的转录大幅降低，这支持了通过增强子捕获Hi-C鉴定的E-P染色质相互作用具有功能性和特异性的观点。![]()
图3 增强子对其相互作用的基因表达是必须的
在大多数发育的E-P相互作用位点的频率与体内增强子活性的一般相关性尚不清楚，但这对理解发育过程中远程基因的时空调控至关重要。为了解决这个问题，研究系统地比较了胚胎不同部位的组织特异性增强子活性与相应的E-P相互作用。对10个组织中的969个E-P相互作用进行聚类分析，结果显示这些相互作用与体内增强子活性有很强的相关性。同时，当增强子处于活性时，增强子与其各自的靶启动子形成更频繁的相互作用。进一步分析发现，发育基因的激活通常与相应的增强子与其靶启动子之间的相互作用频率增加有关。研究同时检查了增强子（E-E接触）之间的染色质相互作用，结果与报道的模型一致，在哺乳动物发育过程中，多个增强子与给定启动子之间的相互作用增加伴随着转录激活。最后，研究通过3D-FISH实验验证发现，在增强子活跃的组织中，E-P物理距离显著降低，这支持了基于邻近连接的增强子捕获Hi-C数据中观察到的E-P相互作用的增加。据报道，增强子具有广泛稳定的哺乳动物 E-P 环，并可以根据小鼠胚胎四肢和脑的染色质特征进行预测，研究对真正发育发育意义上的增强子E-P染色质相互作用进行分析发现，在所有十个检测的胚胎组织中，只有一小部分（13.3%）形成了组织不变环，且这些不变的E-P相互作用在增强子活跃的组织中显示出更高的相互作用频率，形成了组织特异性接触的增强子，绝大多数（98个中的 87 个，88.8%）形成不变相互作用的增强子仅在组织子集中具有活性。为了测试组织不变相互作用是否独立于增强子活性而形成的，研究选择shh基因座-肢体特异性增强子ZRS进行验证实验，评估E-P染色质互作受到增强子靶向缺失的影响，结果发现ZRS和shh之间的高阶染色质相互作用可以独立于ZRS增强子活性形成。总的来说，本研究全面构建了935个增强子的组织分辨率的相互作用图谱，确定了数千种组织特异性相互作用。增强子3D染色质构象在组织中具有高度动态性，并在转基因小鼠胚胎中观察到的这些增强子的高度组织特异性活性模式。研究发现在增强子具有功能活性的组织中，E-P和E-E相互作用适度且持续增加。总之，935 个增强子的染色质相互作用数据表明，E-P物理接近是哺乳动物发育基因激活的一般特征。在未来的研究中，各种组织和细胞环境中对更多发育增强子及其染色质相互作用的功能表征将极大地有助于解释人类先天性疾病相关的种系变异的功能机制。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-024-01681-2
