這個技術揭示了染色體三維結構在心力衰竭中的作用

研究疾病發(fā)生機制？

DNA序列變異、基因表達變化、非編碼RNA調控機制、DNA甲基化修飾…

除了這些，我們還能做什么？

當然是基因組表觀層面的三維構象啦

用三維的視角，你會發(fā)現(xiàn)不一樣的風景

作為染色體三維結構與互作研究的利器，Hi-C技術可揭示染色體片段間的互作信息，闡述染色體三維結構，常常與WGS、WGBS、RNA-seq等技術聯(lián)合，從DNA線性序列、表觀修飾、三維構象、轉錄調控等多組學層面，研究疾病發(fā)生發(fā)展機制。

今天給大家介紹的這篇文章中，作者利用Hi-C技術揭示了染色體三維結構在心力衰竭中的作用，構建了發(fā)育和疾病發(fā)生中表觀基因組的變化模型。

研究背景

心力衰竭是一種毀滅性的疾病，雖然心力衰竭是一種多器官疾病，但它是由心肌細胞生物學的變化驅動的，這種復雜的細胞功能障礙的基礎是基因表達的變化，而細胞核內基因組的正確折疊決定了適當?shù)幕虮磉_和細胞功能，先前的研究已經(jīng)證明了組蛋白修飾酶和這些修飾的識別酶在其中發(fā)揮重要作用。但是心肌細胞表觀基因組的基本折疊原理還未被揭示，基因組的三維結構是否會導致心血管疾病還有待確定。

在此研究中，作者使用兩種疾病模型成年鼠進行Hi-C，研究心力衰竭小鼠中全基因組范圍內的三維結構特征，由于轉錄組分析是表觀基因組結構變化的功能解讀，因此作者結合RNA-seq獲得基因表達圖譜，以揭示基因組三維結構在心力衰竭中的作用。

研究方法

材料：正常對照成年小鼠（CTRL），兩個不同的疾病模型–壓力超負荷性心肌肥厚成年小鼠（TAC）、染色體結構蛋白CTCF敲除成年小鼠（CTCF-KO），分離心肌細胞。

方法：Hi-C，RNA-seq，Chip-seq（CTCF）。

研究結果

疾病模型小鼠病理表型

對CTCF-KO小鼠的表型呈現(xiàn)明顯的心肌病，失去CTCF會導致射血分數(shù)受損、左心室擴張以及器官和細胞水平的肌肉肥厚。而TAC小鼠也表現(xiàn)出肥厚，并伴有較輕微的心室大小和射血分數(shù)的變化，這表明CTCF-KO和TAC小鼠代表了不同的病理生理模型。

疾病心肌細胞的染色體結構特征

CTRL、CTCF-KO、TAC小鼠的TAD結構分析顯示，三組的TAD數(shù)量分別為3686、3746和3705個，雖然整個基因組的TAD邊界數(shù)量變化小于2%，但是邊界強度發(fā)生了不同的變化。此外，CTCF-KO、TAC小鼠的染色體均有新的TAD邊界，包括發(fā)生邊界的轉移和新邊界的形成。

CTCF的缺失或TAC對染色體的A compartment和B?compartment的影響較小，而其中發(fā)生compartment轉換的區(qū)域與基因表達呈正相關，即從A?compartment到B?compartment轉換區(qū)域的基因表達下調，從B?compartment到A?compartment轉換區(qū)域的基因表達上調。CTCF-KO、TAC小鼠間存在41%的共有差異表達基因，兩者都表現(xiàn)出已知的標志基因激活。ChIP-seq檢測到CTCF靶向基因的轉錄起始位點，而這些基因富集在與心臟病相關的通路中。

疾病心肌細胞的染色體長距離loop特征

CTCF-KO、TAC小鼠的染色體長距離loop大小沒有明顯變化，但loop總數(shù)量減少。相比于對照組，CTCF-KO和TAC中消失的長距離loop中有51%兩者共有的，而新出現(xiàn)的loop中只有15%是兩者共有的；在疾病細胞中丟失的loop數(shù)大于新形成的loop數(shù)。在疾病細胞中發(fā)生重組（丟失/新形成）的loop中，富集與心血管功能相關通路中的基因。此外，重組loop中亦包含大量增強子–啟動子loop，其中在疾病細胞中丟失的loop富集與心臟病理相關的基因。

增強子-基因互作的改變

存在互作的9194個表達基因中，60%的基因在CTCF-KO和TAC中的互作變化方向相同。而剩余的40%基因中大多數(shù)（75%）是在某一組疾病細胞中虎作沒有發(fā)生變化的，25%是互作變化在兩組中相反的。在CTCF-KO和TAC中互作改變相同且差異表達的3651個基因中，絕大多數(shù)(86%)的局部互作減少(圖4B)。這些發(fā)現(xiàn)支持了這樣一種趨勢，即更多的動態(tài)染色質互作影響基因表達，兩組疾病細胞與對照相比，它們的基因表達變化方向更可能趨向一致。互作數(shù)量top 40的差異表達基因在疾病細胞中的互作持續(xù)下降，如與鈣依賴信號和心肌肥厚相關的基因Ppp3ca。

在先前鑒定的成人心肌細胞增強子中，其中有115050個再本研究中存在互作。這些增強子的互作在疾病細胞中減少。事實上，其中47%在CTCF-KO中表現(xiàn)出了互作減少，67%在TAC中表現(xiàn)出互作減少。兩種疾病細胞中共有的增強子中，85%在兩者中均出現(xiàn)互作減少。且兩種疾病細胞中基因表達變化與其增強子-基因互作的減弱有關，且受影響的基因在心臟病理通路中富集，如Rock2。

小結

正常對照成年小鼠（CTRL）和兩個不同的疾病模型（TAC、CTCF-KO）小鼠的Hi-C結果揭示了5 kb分辨率下心肌細胞的基因組相互作用，得到了染色體內和染色體間的互作事件，并為未來的心臟表觀基因組研究提供了依據(jù)。壓力超載或CTCF缺失選擇性地改變了TAD的邊界強度和A/B?compartment、基因組可及性。心力衰竭涉及致病基因周圍染色質互作穩(wěn)定性的降低。此外，壓力超負荷或CTCF缺失重塑了心臟增強子的長距離互作，導致這些功能元件周圍局部染色質互作顯著減少。

作者以此研究為基礎，結合前人研究結果，構建了發(fā)育和疾病發(fā)生中表觀基因組的變化模型（如下圖）。發(fā)育過程中伴隨著染色質的變化，使最終分化的細胞具有穩(wěn)定的轉錄組，而疾病破壞了這種平衡，通過影響染色質結構、增強子-基因loop、組蛋白修飾、DNA甲基化等，將基因組的特定區(qū)域轉變?yōu)楦鼊討B(tài)的構象。

 

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