人類細胞中以啟動子為中心的全基因組核小體解析度交互作用圖譜證實了增強子-啟動子環化模型

核心概念

MChIP-C 這種新型高解析度染色質交互作用分析方法證實，大多數功能性增強子確實通過與其目標啟動子發生物理交互作用來調控基因表達，從而支持了增強子-啟動子環化模型。

摘要

書目資訊

論文標題：人類細胞中以啟動子為中心的全基因組核小體解析度交互作用圖譜證實了增強子-啟動子環化模型
預印本伺服器：bioRxiv (https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.02.12.528105v1)

研究目標

本研究旨在開發一種名為 MChIP-C 的新型高解析度染色質交互作用分析方法，並利用該方法驗證人類細胞中增強子-啟動子環化模型的普遍性。

方法

研究人員開發了一種名為 MChIP-C 的新型技術，該技術結合了基於微球菌核酸酶 (MNase) 的鄰近連接、染色質免疫沉澱和深度測序技術。他們將 H3K4me3 定向的 MChIP-C 應用於 K562 細胞，以探索活性啟動子的空間連接性。通過將 MChIP-C 數據與先前發表的 CRISPRi 篩選結果進行比較，他們評估了功能性增強子和啟動子之間是否存在物理交互作用。

主要發現

• 與基於限制性內切酶的 C 方法相比，MChIP-C 具有更高的靈敏度和解析度，能夠在全基因組範圍內以單核小體解析度繪製啟動子中心的交互作用圖譜。
• MChIP-C 數據揭示了啟動子和遠端基因組位點之間存在數以萬計的局部空間交互作用，其中包括與 CTCF 結合位點和增強子樣區域的交互作用。
• 分析表明，大多數功能性增強子（通過 CRISPRi 篩選驗證）確實與其目標啟動子發生物理交互作用，從而支持了增強子-啟動子環化模型。
• 研究人員發現，EP300 組蛋白乙酰轉移酶和 SWI/SNF 重塑複合物可能是建立和/或維持增強子-啟動子空間接觸的關鍵因素。

主要結論

MChIP-C 數據為增強子-啟動子環化模型提供了強有力的支持，表明大多數功能性增強子通過與其目標啟動子發生物理交互作用來調控基因表達。該研究還強調了 EP300 和 SWI/SNF 複合物在促進這些交互作用中的潛在作用。

研究意義

這項研究通過提供迄今為止最全面的人類細胞中啟動子中心交互作用圖譜，極大地促進了我們對基因調控的理解。MChIP-C 技術的開發為研究染色質空間組織提供了強大的工具，而 EP300 和 SWI/SNF 在增強子-啟動子交互作用中的作用的發現，則為未來的研究開闢了新的途徑。

局限性和未來研究方向

儘管 MChIP-C 比其他 C 方法具有更高的靈敏度，但由於信息讀取的比例較小，因此需要大量的測序深度才能完全發揮其潛力。未來的研究可以集中於進一步優化 MChIP-C 方案，以提高其產量。此外，需要進一步的實驗來闡明 EP300 和 SWI/SNF 複合物在增強子-啟動子交互作用中的確切機制。

統計資料

MChIP-C 數據顯示，60.7% 的經 CRISPRi 驗證的功能性增強子-啟動子對存在潛在的空間交互作用。
相比之下，只有 6.5% 的非調控性 DHS-P 對顯示出此類交互作用。
在 MChIP-C 數據中，20.6% 的啟動子交互作用區域 (PIR) 與 CTCF 結合位點共定位。
啟動子與 CTCF 結合位點的交互作用存在 CTCF 方向偏倚，無論啟動子側是否存在 CTCF 結合。
EP300 在缺乏 CTCF 的增強子樣 PIR 中富集，並且是 MChIP-C 交互作用強度的有力預測因子。

引述

"我們發現，大多數功能性驗證的增強子確實與其同源啟動子交互，這支持了增強子-啟動子環化模型，並表明在哺乳動物細胞中，物理交互作用通常對增強子活性至關重要。"
"與基於標準限制性內切酶的 C 方法相比，MChIP-C 獲得了更高的靈敏度和解析度。"
"我們建議 EP300 和/或 SWI/SNF 複合物可能參與了獨立於 СTCF 和黏連蛋白的調節性染色質交互作用的形成。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

A genome-wide nucleosome-resolution map of promoter-centered interactions in human cells corroborates the enhancer-promoter looping model

by Golov,A. K.,... 於 www.biorxiv.org 02-13-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.02.12.528105v3

深入探究

MChIP-C 技術的應用如何推動我們對其他生物過程（如 DNA 複製、修復和重組）中染色質組織的理解？

MChIP-C 技術作為一種高解析度且靈敏的染色質交互作用分析方法，為研究 DNA 複製、修復和重組等生物過程中染色質組織的動態變化提供了強大的工具。以下是一些潛在的應用方向：

DNA 複製：

利用 MChIP-C 可以研究複製起點與其他基因組區域的交互作用，例如增強子或抑制子，從而揭示這些區域對複製起始的影響。
通過分析複製過程中不同蛋白因子（如複製叉蛋白、DNA 聚合酶）的結合位點與其他基因組區域的交互作用，可以深入了解複製叉的移動和調控機制。

DNA 修復：

MChIP-C 可以用於研究 DNA 損傷位點與修復相關蛋白質（如 DNA 修復酶、染色質重塑因子）的結合位點之間的交互作用，從而揭示 DNA 修復途徑的空間組織和調控機制。
通過分析修復過程中染色質結構的動態變化，例如染色質環的形成或解離，可以深入了解 DNA 修復過程中的染色質重塑和動態調控。

DNA 重組：

MChIP-C 可以用於研究參與 DNA 重組的基因組區域（如 V(D)J 重組中的 V、D、J 片段）之間的交互作用，從而揭示重組過程中的染色質結構變化。
通過分析重組過程中相關蛋白質（如 RAG 重組酶）的結合位點與其他基因組區域的交互作用，可以深入了解 DNA 重組的分子機制。
總之，MChIP-C 技術為研究染色質組織在 DNA 複製、修復和重組等生物過程中的作用提供了新的途徑，有助於我們更深入地理解這些基本生物過程的分子機制。

如果增強子-啟動子環化模型不適用於所有增強子，那麼哪些其他機制可以解釋遠距離基因調控？

儘管增強子-啟動子環化模型是目前解釋遠距離基因調控的主要模型，但越來越多的證據表明，其他機制也可能發揮作用。以下是一些可能的替代或補充機制：

染色質區域化（Chromatin Compartmentalization）： 基因組在細胞核內並不是隨機分佈的，而是形成不同的染色質區域，例如活躍的 A 區域和抑制性的 B 區域。增強子可能通過影響其靶基因所在的染色質區域來調節基因表達，而不一定需要直接的物理接觸。
染色質樞紐（Chromatin Hubs）： 多個增強子可以聚集在一起形成染色質樞紐，共同調節多個靶基因的表達。這些樞紐可能充當基因調控的中心，協調不同基因的表達。
非編碼 RNA（ncRNA）： 一些增強子可以轉錄產生非編碼 RNA，這些 ncRNA 可以通過與蛋白質或 DNA 的交互作用來調節基因表達，例如招募轉錄因子或改變染色質結構。
染色質修飾的傳播（Spreading of Chromatin Modifications）： 增強子可以招募染色質修飾酶，例如組蛋白乙酰轉移酶，對鄰近染色質區域進行修飾，從而影響靶基因的表達。
三維染色質結構的動態變化（Dynamic Changes in 3D Chromatin Structure）： 細胞核內的染色質結構是高度動態的，可以響應細胞內外信號發生變化。增強子可能通過影響染色質結構的動態變化來調節基因表達，例如促進或抑制染色質環的形成。
需要注意的是，這些機制可能並非相互排斥的，而是在不同的細胞類型和生物過程中協同作用，共同調節基因表達。

鑑於染色質結構的動態特性，我們如何開發能夠捕捉這些動態交互作用並闡明其功能後果的新技術？

捕捉染色質結構的動態變化及其功能後果需要開發新的技術，以下是一些可能的發展方向：

提高時間分辨率： 現有的染色質構象捕獲技術（如 Hi-C、MChIP-C）大多是基於固定細胞的，只能提供染色質交互作用的静态快照。開發能夠在活細胞中實時追踪染色質交互作用的技術，例如基於熒光標記的成像技術，將有助於我們理解染色質結構的動態變化。
單細胞水平分析： 細胞群體中染色質結構存在異質性，單細胞水平的分析可以揭示這種異質性，並幫助我們理解染色質結構的動態變化如何影響單個細胞的基因表達和細胞命运。
結合功能基因組學技術： 將染色質構象捕獲技術與其他功能基因組學技術（如 CRISPR 篩選、單細胞 RNA 測序）相結合，可以幫助我們將染色質結構的動態變化與基因表達、細胞功能等生物學過程聯繫起來。
開發新的計算方法： 分析染色質結構的動態變化需要開發新的計算方法，例如能夠處理時間序列數據、單細胞數據和多組學數據的算法。
以下是一些具體的技術：

活細胞成像技術： 例如，利用 CRISPR-Cas9 系統對特定基因組區域進行熒光標記，然後使用超分辨率顯微鏡實時追踪這些區域在活細胞中的運動和交互作用。
單細胞 Hi-C 技術： 例如，開發能夠在單個細胞中進行 Hi-C 实验的微流控平台，從而揭示細胞群體中染色質結構的異質性。
時間分辨 Hi-C 技術： 例如，開發能夠在不同時間點捕獲染色質交互作用的技術，例如利用光激活的交聯劑，從而追踪染色質結構的動態變化。
通過開發和應用這些新技術，我們可以更深入地理解染色質結構的動態特性及其在基因調控、細胞發育和疾病發生中的作用。