題目：LHX2- and LDB1-mediated trans interactions regulate olfactory receptor choice

LHX2-和LDB1的反式相互作用調節嗅覺受體的選擇

期刊：Nature

影響因子：41.577

主要技術：Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq

研究背景

        我們的鼻子可以幫助我們感知到玫瑰花香、茉莉花香等各種不同的味道，是什么保證了我們能擁有這嗅覺了？哥倫比亞大學的研究人員借助Hi-C基因組測序技術，首次在哺乳動物的細胞核內發現一種巧妙的三維重排機制。

文章思路

名詞解釋：

小鼠嗅覺感受器（ORs）（olfactory receptors）

成熟嗅覺神經元（mOSN）（mature olfactory sensory neuron）

嗅覺神經元（OSN）（olfactory sensory neuron）

主嗅上皮（MOE）（main olfactory epithelium）

熒光活化細胞（FAC）（fluorescence-activated cell）

總峰分析（APA）（Aggregate peak analysis）

水平基底細胞（HBCs）（horizontal basal cells）

直接神經元前體（INPs）（immediate neuronal precursors）

細菌假染色體（BAC）bacterial artificial chromosome

研究內容及結果

1. 反式分隔來源于OSN分化

       首先，作者分析了熒光活化細胞（FAC）分化的成熟嗅覺神經元（mOSNs），它代表了有絲分裂后的神經元的最終分化，其被視為小鼠嗅覺感受器（OR）的異質性。在成熟嗅覺神經元的原位Hi-C結果中顯示了廣泛的染色體間相互作用，相當于Hi-C總接觸的35.6%，其與之前的成像結果一致。放大的基因組視圖顯示，在OR基因簇與中間的OR簇之間存在很強的OSN-specific反式接觸，有大約7.5%的Hi-C接觸點從不同的染色體映射到OR簇（圖1a,b）。聚合峰分析(APA)和無偏室預測證實大多數OR簇參與OR選擇性多染色體的組裝（圖1b），值得注意的是，在mOSNs中，OR簇間的反式接觸僅占所有染色體間接觸的0.25%，但在1000個最強的反式Hi-C接觸中占50%。在分化程度更高的直接神經元前體(INPs)中，反式OR接觸豐富，但比在mOSNs少；順式OR簇間的相互作用程度與mOSNs一致。因此，OR基因間隔以分層的方式形成，順式接觸首先出現，反式作用隨著分化而加強。

        OR隔間內，63常染色質的Greek islands代表Hi-C“hotspots”中特殊和頻繁的順式和反式接觸（圖1d，e）。在INPs中，每個細胞中有多個OR基因被弱轉錄。雖Greek islands之間相互作用，但在mOSNs中缺乏焦點接觸分布。分化增強和反式交互規范化是大多數Greek islands的特性(圖1 f, g)。總而言之，在mOSNs中，Greek island Hi-C接觸點中4.5%與其他Greek island有接觸，其中一半為反式（圖1f）。值得注意的是，這超過了Greek islands順式長交互中LHX2和EBF共結合基因間序列的平均和累積頻率(圖1g)。

圖1 OSN分化過程中，Greek islands之間形成的染色體間接觸與OR基因簇間接觸以及局部染色體間接觸

 

2. Greek islands促進區域劃分

        為了系統的剖析Greek island的相互作用，作者探討了這些增強子核心序列的作用。在mOSNs的原位Hi-C中， islands H（2kb）、Lipsi（1kb）和Sfaktiria （0.6 kb）的純合子缺失，在包含這些缺失的基因組bins和剩余的Greek islands之間反式相互作用減少，這種效應延伸至較寬的基因組距離（圖2a-c）。值得注意的是，積累的反式Greek island接觸減少與在細胞中觀察到的OR基因的轉錄下調相關圖2c)。小至0.6 kb的DNA在數百個堿基上協調基因組接觸，類似于ZIP元素影響酵母菌或Igk增強子的核定位，從而影響了pre-B細胞中免疫球蛋白位點的定位。三重增強子刪除對集群的影響表明，這些額外的序列參與OR集群之間的交互。

圖2 Greek islands增強子缺失對集群的影響

 

3. 蛋白質的區域化調節

        接下來，作者研究了Greek-island-bound結合轉錄因子在ORs區隔中的作用，在水平基底細胞（HBCs）中刪除LHX2，然后用甲基咪唑誘導這些細胞分化，以TdTomato強度為標記，鑒定了細胞群體，其中最暗的是由HBC-衍生的INPs和mOSNs組成。熒光活化細胞FAC-sorted的RNA測序（RNA-seq）結果顯示，LHX2的早期缺失導致嗅覺神經元（OSN）譜系發育遲緩，INP-特異性標志物增多。考慮到分化缺陷和可能的細胞標識變化，FAC-sorted細胞反式OR和反式 Greek island 接觸明顯減少(圖3a-d)。在早期的LHX2敲除細胞中，染色體間相互作用的頻率仍然很高，但在1000個最強的反式接觸中OR-OR接觸僅占16%。在mOSNs中LHX2的晚期缺失也減少了反式OR接觸，但沒有早期缺失多(圖3a, c)。LHX2的缺失使Greek islands之間的反式接觸和遠距離順式接觸減少(圖3b, d)，與OR下調相一致。

為了了解LHX2是如何穩定的與Greek island接觸的，作者研究了LHX2（LIM區域蛋白)是否招募了邊緣結合蛋白(LDB1)。作者對LDB1進行的染色質免疫沉淀和測序(ChIP-seq)，發現mOSNs與LHX2峰有密切重疊。與此一致的是，每個Greek island都以LHX2-dependent的方式被LDB1綁定。在mOSNs中刪除LDB1，導致反式Greek island和遠距離順式Greek island相互作用的強烈減少(圖4a, b)，OR集群之間反式交互減少，在全基因組中效應更弱。值得注意的是，RNA-seq顯示LDB1的缺失導致ORs廣泛的轉錄下調(圖4c)，其可能受限于OR家族（圖4d）。

圖3 LHX2是Greek island中心形成OR分隔以及裝配和穩定的基礎

 

圖4 LDB1是Greek island中心穩定和OR轉錄的基礎

 

4. Greek island中心與活躍的OR基因有關

        為了檢測Greek island中心是否通過與OR基因直接相互作用調節OR轉錄，作者在OR基因 Olfr16、Olfr17和Olfr1507進行了原位Hi-C實驗。在這些OSN種群中，整體OR集群網絡與Greek island的相互作用在很大程度上是相同的，但也觀察到OSN類型特異性變異。然而，在每一種OSN類型中，轉錄活躍的OR始終與Greek islands形成頻繁的相互作用。例如，在OLFR16+ OSNs中，OLFR16位點與Greek islands的順式長交互和反式相互作用強烈，5%的Hi-C接觸點映射到Olfr16。在OLFR17+OSNs和OLFR1507+ OSNs中，它主要與附近的Greek islands相互作用(圖5a, b)。值得注意的是，在OLFR16+細胞中，相對于完整的OR譜，Greek island上的聯系在Olfr16位點得到額外的加強(圖5b， 5c)。因此，通過基因與Greek islands的累積相互作用，原位Hi-C可以準確地從近1000個基因中識別到轉錄活躍的OR。

圖5 Greek island中心與OR特異性轉錄活性位點的相互作用

 

文章小結

        本文作者利用原位Hi-C、RNA-seq等技術，發現小鼠嗅覺感受器OR基因間隔以分層的方式形成，順式接觸首先出現，反式作用隨著分化而加強。OR隔間內的Greek islands增強子的缺失對集群之間的交互有影響，轉錄因子LHX2的缺失使Greek islands之間的反式接觸和遠距離順式接觸減少，并發現邊緣結合蛋白LDB1是Greek island中心穩定和OR轉錄的基礎。最后通過原位Hi-C實驗，發現Greek island中心通過與OR基因直接相互作用調節OR轉錄。

 

解析文獻

Kevin Monahan, Adan Horta, et al. LHX2- and LDB1-mediated trans interactions regulate olfactory receptor choice [J]. Nature, 2019, 565 , 448–453.

相關服務

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