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Cell Reports |李程/陶偉與合作者報道基於少量細胞的染色質構象捕獲技術及其在小鼠造血譜係中的應用

日期: 2020-09-30

2020年9月29日,永利55402开户注册李程研究組、永利55402开户注册陶偉研究組與中國醫學科學院血液學研究所合作在《Cell Reports》雜誌發表了題為“tagHi-C reveals 3D chromatin architecture dynamics during mouse hematopoiesis”的研究論文。

在此之前,對造血譜係各個階段細胞類型的染色質三維構象缺乏完整的研究。其中一個主要限製因素是已有的染色質構象捕獲技術大多需要大量的起始細胞,而體內可分選的造血幹細胞較少。因此,作者們首先開發了一種基於Tn5 tagmentation的少量細胞Hi-C技術(tagHi-C)。tagHi-C利用Tn5轉座酶對交聯、酶切、連接、純化後的線性DNA進行打斷,代替了in situ Hi-C中使用的超聲打斷法(圖一)。由於Tn5轉座酶可對低至1ng的DNA高效隨機切割,因此作者們實現了對最低200個起始細胞的Hi-C文庫構建。Tn5轉座酶在打斷DNA的同時會加上測序接頭,因此相比傳統的in situ Hi-C,tagHi-C在實驗時間上也有較大的縮減。作者們將tagHi-C應用到GM12878和HeLa細胞係中,發現該技術能在多尺度下得到與傳統大量細胞Hi-C相似的結果,證明了方法的可靠性。

圖一:tagHi-C實驗流程圖

緊接著,作者們將tagHi-C應用到小鼠造血過程中的10個主要細胞類型,包括幹/祖細胞以及以及成熟粒細胞(GR)和巨核細胞(MK)。作者們首先發現了造血譜係分化過程中染色質區室(compartment)結構的動態變化,並且區室結構的變化與基因表達以及對應細胞類型的功能有很強的相關性。

作者們接下來從更大的染色體結構層麵進行研究,巨核/紅祖細胞(MEP),巨噬細胞(MK)和粒細胞(GR)相比其他細胞類型有著更加緊致的染色體結構。10Mb左右線性距離的染色質空間互作增加,而更加長距離的染色質互作顯著減少。同時,MNase切割實驗發現MEP、MK和GR細胞對MNase更不敏感,也證明其更加緊致的染色體結構(圖二)。

圖二:在MEP,MK,GR中更加緊密的染色質構象

同時,tagHi-C的結果證明在MEP和GR細胞中,染色體的著絲粒端傾向於聚集成簇,端粒一端也傾向於聚集在一起,這與之前文獻報道的RabI構象相似。進一步,作者也用FISH驗證了RabI構象隨著造血譜係分化逐漸明顯的趨勢(圖三)。作者猜測這種結構的存在可能與染色質的非遺傳學功能相關。比如,緊密的Rabl結構可能利於MEP後期分化成紅細胞的脫核過程;有利於GR成熟過程中的細胞遷移過程。

圖三:血液譜係分化過程中逐漸建立的Rabl構象

在基因層麵上,作者們發現高表達的基因傾向於在基因內部形成更加頻繁且均勻的互作,作者們將這一結構定義為GAD(Gene-body Associating Domain)。與之前文獻定義的染色體環(loop)結構不同,GAD兩端沒有顯著富集的CTCF結合位點。擁有GAD結構的基因內部會富集更強烈的H3K4me1和RNA Pol II的信號,證明了GAD結構與活躍轉錄的高度相關性。通過比較不同細胞的GAD強弱差異,作者們發現,有GAD結構的基因通常與細胞類型特異的功能高度相關。比如Meis1在HSC(造血幹細胞)中形成明顯的GAD結構,在GR中則不存在,而Meis1已經被多次報道與幹細胞的功能高度相關(圖四)。

圖四:血液分化中動態變化的GAD結構

最後,作者們將tagHi-C和GWAS數據做了聯合分析。於GWAS分析中將血液疾病或性狀SNP關聯到線性距離最近的基因不同,tagHi-C鑒定出來的染色質環結構可能介導某些GWAS SNP參與調控遠端的靶基因。以SNP rs77527100為例,它與“髓係細胞中的粒細胞的比例”相關。通過線性最近距離,rs77527100被注釋到CCDC26這個lncRNA的內含子區域,而利用tagHi-C鑒定出的染色質環,作者發現在造血幹/祖細胞中,此SNP位點與Myc基因有較強的互作,並且這個SNP位點附近有明顯的H3K4me1和H3K27ac信號,提示在幹/祖細胞中,rs77527100位點所在區域作為增強子潛在調控Myc基因的表達(圖五)。同時作者也發現了其他類似的空間調控關係,比如Hoxa cluster和Pten,支持了三維基因組結構用於解釋GWAS SNPs功能的重要作用。

圖五:通過染色質環關聯GWAS位點和潛在性狀基因

總的來說,該研究開發了一種簡便高效的少量細胞Hi-C技術(tagHi-C),利用該技術產生了小鼠造血譜係分化過程中的十種細胞類型的三維基因組數據圖譜,並且從染色質緊致程度、RabI構象、GAD結構以及染色質環與GWAS的數據整合等方麵進行了研究。該研究為理解小鼠造血譜係染色質構象提供了豐富的數據資源,也為其他需要應用少量細胞Hi-C的研究問題提供了參考實驗方法和分析思路。

北京大學PTN項目博士生張超、永利55402开户注册博士生徐子晗、血研所助理研究員楊尚達博士以及博士生孫國歡為並列第一作者。永利55402开户注册李程研究員、陶偉教授和中國醫學科學院血液學研究所程輝副研究員、程濤教授為共同通訊作者。北京大學博士後賈璐萌參與了tagHi-C實驗技術開發,血研所博士生鄭昭烽和顧荃參與了研究工作。永利55402开户注册季雄研究員提供了寶貴建議。該研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃的資助。並得到了北京大學“北極星”高性能計算平台的支持。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108206