鸡肉因高质量的蛋白质和成本效益而广受全球消费者欢迎。然而，腹部脂肪沉积（AFD）显著影响肉质和生产效率。研究表明，肉鸡体内过量的脂肪积累会降低饲料转化效率，减少瘦肉率，还可能影响种鸡的产蛋率、受精率和孵化率，甚至增加下蛋期间的死亡率。因此，有效控制AFD是全球家禽养殖中的一个亟待解决的关键问题。
近日，东北农业大学动物科学技术学院“农业农村部鸡遗传育种重点实验室（东北农业大学）”在国际学术期刊Nature Communications（IF：14.7）上发表了题为“Integrative 3D genomics with multi-omics analysis and functional validation of genetic regulatory mechanisms of abdominal fat deposition in chickens”的研究论文。该研究聚焦“基因组变异影响染色质空间构象，进而调控基因转录”这一核心科学问题，通过整合基因组、表观基因组、三维基因组和转录组分析建立一个综合的染色质三维调控网络图谱，识别了影响鸡腹部脂肪沉积的遗传调控机制。研究发现rs734209466变异作为一个等位基因特异性增强子，通过结合转录因子IRF4，远程增强IGFBP2和IGFBP5的转录。这种调控作用影响前脂肪细胞的分化和增殖，最终影响表型。该工作为鸡腹部脂肪沉积提供了详细的遗传调控图谱，为选择育种提供了分子靶点。菲沙基因承担了本研究中的Hi-C和ATAC-seq测序工作，原始数据由研究团队自行分析。
图1 文章发表信息
● 研究材料：高脂系（FL）和低脂系（LL）肉鸡的腹部脂肪组织
● 组学方法：WGS、ATAC-seq、ChIP-seq（H3K4me1、H3K27ac、H3K27me3、CTCF）、Hi-C、RNA-seq
图2 研究框架
与肉鸡脂肪沉积相关的候选变异
该研究使用东北农业大学高、低脂系肉鸡（NEAUHLF）的330只鸡进行重测序（图3a-b）。综合表型分析、群体结构分析和选择信号分析，该研究确认高、低脂系肉鸡间出现了明显的遗传分化，并且鉴定出2301个与AFD性状相关的选择区域（图3g-i）。同时，该研究识别了311947个与AFD性状相关的候选变异，它们主要位于非编码的基因间区或内含子区（图3k-l）。
图3 肉鸡品系的表型分析和选择信号分析
与肉鸡脂肪沉积相关变异的表观基因组和三维基因组特征
该研究从两个品系的鸡中分别选取3个样本进行ATAC-seq分析，对311947个候选变异进行表观特征注释，结果显示，2162个潜在的功能性变异主要位于CTCF结合位点和远端调控元件（RE）中（图4），可能影响这些元件的活性，从而调节目标基因的转录。
图4 肉鸡品系中与脂肪沉积相关的功能性变异
该研究取ATAC-seq同样的样本进行Hi-C实验（231.99×），分析显示，LL亚群的染色质构象较弱，表现为Von Neumann熵增加和互作频率降低（图5b-d）。同时，比较FL和LL亚群的compartment、TAD和loop变化，研究发现两者的compartment高度保守，而TAD边界和loop具有显著差异。接下来，该研究基于四种主要的转录调控机制，总共鉴定出1169个功能性变异通过影响近端和远端调控元件、TAD结构和loop结构，调控500个目标基因的表达，形成了一个复杂的2559个变异-基因互作网络（图5g-j）。
图5 FL和LL亚群的染色质结构差异以及功能性变异的目标基因
与AFD性状相关的基因组变异-基因调控网络
在识别出潜在功能性变异的目标基因后，该研究通过WGCNA分析这些基因表达与AFD之间的关联，建立与AFD性状相关的基因组变异-基因调控网络。基因模块与表型之间的关联分析显示，共筛选到439个与AFD性状显著相关的靶基因，受1134个功能性变异调控，涉及2255个变异-基因互作对（图6），进一步的GO、KEGG功能富集分析表明，这些基因主要与脂质代谢相关通路有关，包括信号传导、代谢过程和细胞生长与死亡。
图6 与AFD性状相关的全面变异-基因网络
在上述分析中，该研究通过构建IMVGI（Integrative Multiomics for Variant–Gene Interactions）框架整合了多种组学数据，鉴定出2255个变异-基因互作对，包括1134个功能性变异和439个目标基因，其中平均每个功能性变异预测调控1.94个目标基因，每个目标基因受4.23个功能性变异影响。这些互作的平均基因组距离约为201 kb，约71.00%的变异通过远距离互作调控目标基因（图7c-f）。随后，该研究证实与Non-IMVGI变异相比，IMVGI变异在表观基因组特征、转录因子结合和QTL区域显著富集，同时，与基于其他特征的方法对比，IMVGI模型能够预测更多的远端目标基因，并且这些目标基因在FL和LL肉鸡品系的腹部脂肪组织中表现出更大的mRNA表达差异。
图7 IMVGI模型鉴定的变异-基因网络特征
关键功能变异在AFD性状的调控机制
在IMVGI模型鉴定的2255个变异-基因互作中，该研究选择rs16596562和rs734209466作为代表性互作进行实验验证。首先，Sanger测序证实这两个变异存在于肉鸡中，并且这两个变异位于一个活性增强子区域，该区域在FL组中富含高水平的H3K27ac和H3K4me1信号（图8a-6b）。同时，携带这两个变异位点的肉鸡与AFD表型特征相关（图8c）。该研究进一步通过荧光素酶报告基因实验，分析rs16596562和rs734209466变异对增强子活性和目标基因启动子区域活性的影响，确认rs734209466-In通过介导增强子活性来显著增强远程目标基因IGFBP2和IGFBP5的转录活性（图8f-g）。
图8 关键功能变异通过介导增强子活性来增强远程目标基因的转录
接下来，研究基于Homer和AnimalTFDB分析转录因子结合位点，发现rs734209466-In上存在一个特定的IRF4结合位点（图9）。通过一系列荧光素酶报告基因实验、EMSA实验和RT-qPCR实验，该研究证实IRF4可以直接结合并调节rs734209466-In相关增强子的活性，以促进IGFBP2和IGFBP5基因的表达。最后，该研究通过敲低或过表达IGFBP2和IGFBP5，证实IGFBP2和IGFBP5促进鸡前脂肪细胞的增殖和分化。
图9 转录因子IRF4结合在rs734209466-In位点
该研究聚焦“基因组变异影响染色质空间构象，进而调控基因转录”这一核心科学问题，将染色质空间构象作为连接基因组变异与转录调控的纽带，从三维基因组角度鉴定影响肉鸡腹脂沉积的关键基因组变异并解析其具体调控机制。该项研究通过整合表型、基因组、表观组、三维基因组、转录组等多组学数据，全面绘制了与肉鸡脂肪性状相关的功能变异、顺式调控元件、转录因子、三维基因组结构及目标基因的三维调控网络，从而解析了基因组变异调控基因转录最终影响肉鸡腹脂沉积的具体机制。此外，该研究以rs734209466变异位点为例，阐述了基因组变异如何通过改变染色质的三维构象，影响目标基因的转录，最终影响肉鸡腹脂沉积。
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参考文献
Shen L, Bai X, Zhao L, et al. Integrative 3D genomics with multi-omics analysis and functional validation of genetic regulatory mechanisms of abdominal fat deposition in chickens[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 9274.
撰稿｜宋小云
审核｜卢锐
