全反式維甲酸（ATAR）誘導(dǎo)白血細(xì)胞的染色質(zhì)構(gòu)象改變而影響分化進(jìn)程

信息來源：金開瑞作者：genecreate 發(fā)布時(shí)間：2019-09-03 14:12:42

題目：Alterations of specific chromatin conformation affect ATRA-induced leukemia cell differentiation

期刊：Cell Death & Disease

影響因子：6.044

主要技術(shù)：Hi-C、ATAC-seq 、ChIP-seq、RNA-seq

發(fā)表時(shí)間：2018年

研究背景

染色體形成多層次構(gòu)象在基因表達(dá)調(diào)控中起著至關(guān)重要的作用。高通量染色體構(gòu)象捕獲(Hi-C)揭示了基因組被組成幾百幾千堿基到一個(gè)百萬堿基長(zhǎng)度的拓?fù)湎嚓P(guān)域(topological associated domain, TADs)，其中染色質(zhì)區(qū)域TAD內(nèi)部作用強(qiáng)于TAD外部。在所有的細(xì)胞類型中，TAD位置在進(jìn)化過程中基本保守。然而，同一TADs內(nèi)的基因在激素刺激或分化過程中表達(dá)是協(xié)調(diào)變化，這表明TADs不僅可作為結(jié)構(gòu)單位，而且還可以作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控的功能單位。此外，在TADs中，由特定蛋白或非編碼RNA介導(dǎo)的長(zhǎng)期染色質(zhì)相互作用連接遠(yuǎn)端調(diào)控區(qū)域，如增強(qiáng)子和基因啟動(dòng)子，使基因遠(yuǎn)端表達(dá)調(diào)控成為可能。

摘要

在本研究中，作者采用全反式維甲酸（ATRA）誘導(dǎo)的HL-60細(xì)胞作為白血病細(xì)胞分化的模型。用高通量測(cè)序（Hi-C）、染色質(zhì)免疫沉淀聯(lián)合高通量測(cè)序（ChIP-seq）、轉(zhuǎn)座酶可及染色質(zhì)聯(lián)合高通量測(cè)序（ATAC-seq）和RNA測(cè)序（RNA-seq）的方法分析并觀察差異表達(dá)基因（DEGs）在TAD中非隨機(jī)分布。在TADs中，基因與調(diào)控區(qū)域之間的染色質(zhì)相互作用與基因表達(dá)水平和染色質(zhì)可及性呈正相關(guān)。關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子GATA2的表達(dá)和DNA結(jié)合在ATRA誘導(dǎo)后均下調(diào)；同時(shí)，染色質(zhì)之間的相互作用GATA2啟動(dòng)子和上游增強(qiáng)子丟失，增強(qiáng)子中染色質(zhì)可及性改變。

技術(shù)路線

研究結(jié)果

1. ATRA誘導(dǎo)后間室和TAD位置無明顯變化

在對(duì)照組和ATRA處理的細(xì)胞中都觀察到類似的沿?zé)釄D對(duì)角線的組織模式，這表明ATRA誘導(dǎo)后基因組的基本結(jié)構(gòu)單元保持穩(wěn)定。在ATRA誘導(dǎo)中，僅有0.81%的基因組表現(xiàn)出從A到B的間隔模式改變，0.48%的基因組表現(xiàn)出從B到A的間隔模式改變，說明基因組的間隔模式普遍保守，說明染色質(zhì)構(gòu)像和TAD位置在細(xì)胞間隔水平上沒有明顯變化。（圖1）。

圖1 ATRA誘導(dǎo)HL-60分化過程中的染色質(zhì)構(gòu)象

2. ATRA誘導(dǎo)改變了基因調(diào)控染色質(zhì)的相互作用

染色質(zhì)相互作用可以將遠(yuǎn)端調(diào)控元件、啟動(dòng)子和TSS移動(dòng)到轉(zhuǎn)錄調(diào)控所需的鄰近位置。通過計(jì)算TADs內(nèi)部的ChIP-seq信號(hào)變化染色質(zhì)相互作用增加的TADs H3K4me3和H3K27ac水平相對(duì)增加，而染色質(zhì)相互作用減少的TADs則相反。大多數(shù)基因調(diào)控相互作用可能會(huì)增強(qiáng)或至少促進(jìn)靶基因表達(dá)，這可能與抑制或沉默基因表達(dá)的異染色質(zhì)區(qū)域中的大多數(shù)基因間相互作用形成鮮明對(duì)比（圖2）。

圖2 ATRA誘導(dǎo)的差異基因調(diào)控相互作用分析

3.差異基因調(diào)控染色質(zhì)相互作用與染色質(zhì)可及性的改變相關(guān)

轉(zhuǎn)錄因子與開放性染色質(zhì)區(qū)域的結(jié)合調(diào)節(jié)增強(qiáng)子活性和基因表達(dá)，并協(xié)調(diào)細(xì)胞分化。在ATRA處理的細(xì)胞中識(shí)別出41988個(gè)峰值，在對(duì)照細(xì)胞中識(shí)別出30870個(gè)峰值。總的來說，ATRA處理的細(xì)胞(ATRAspecific peak)能識(shí)別18446個(gè)峰，而對(duì)照細(xì)胞(control-specific cell)只能識(shí)別7328個(gè)峰。調(diào)控區(qū)域富集趨勢(shì)強(qiáng)于基因區(qū)域，說明開放染色質(zhì)區(qū)域特別是遠(yuǎn)端調(diào)控區(qū)域TF結(jié)合的變化調(diào)控染色質(zhì)的形成。在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，作者發(fā)現(xiàn)GATA2作為網(wǎng)絡(luò)度最高的最重要的樞紐節(jié)點(diǎn)。此外，GATA2與大多數(shù)富含ATAC-seq峰的轉(zhuǎn)錄因子以及已知的粒細(xì)胞分化關(guān)鍵調(diào)控因子相互作用通過整合染色質(zhì)可達(dá)性信息和轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，作者發(fā)現(xiàn)GATA在ATRA誘導(dǎo)HL-60分化過程中可能是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄因子（圖3）。

圖3 DLO Hi-C的流程圖以及與其它Hi-C方法的比較

4. 失去基因loop結(jié)構(gòu)可以抑制ZBTB16 mRNA的表達(dá)

通過4C實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步鑒定了GATA2及ZBTB16基因的關(guān)鍵增強(qiáng)子區(qū)域。在誘導(dǎo)分化過程中，這些增強(qiáng)子區(qū)域與啟動(dòng)子互相作用的減弱與GATA2和ZBTB16表達(dá)水平的顯著下調(diào)密切相關(guān)，在此基礎(chǔ)上提出了調(diào)控蛋白的結(jié)合是否引起基因loop結(jié)構(gòu)消失的模型（圖4）。

圖4失去了基因loop結(jié)構(gòu)ZBTB16 ATRA誘導(dǎo)

總結(jié)

作者建立了一個(gè)整合多個(gè)組學(xué)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算框架，研究染色質(zhì)構(gòu)象與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)系。將該框架應(yīng)用于ATRA誘導(dǎo)的白血病分化過程中，提出特異性染色質(zhì)構(gòu)象改變影響關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄和染色質(zhì)構(gòu)象，為疾病治療提供一種新的潛在藥物靶點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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.

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