題目：Heterochromatin drives compartmentalization of inverted and conventional nuclei
期刊：Nature
影響因子：41.577
主要技術：Hi-C、Cryosections 、immunostaining、FISH 、microscopy
哺乳動物細胞中常染色質和異染色質存在空間上的分離，但區室化的形成機制尚不清楚。本研究對夜行哺乳動物的視桿細胞倒置核進行Hi-C分析并結合顯微鏡和多聚體模擬，發現異染色質區域間的吸引對建立區室化及著絲粒周邊異染色質，可調節性異染色質和常染色質的建立至關重要。倒置細胞核中加入異染色質和核纖層的相互作用可重建傳統細胞核中的組織。
文章思路
研究內容及結果
1. 常規和倒置核的顯微鏡觀察及Hi-C分析
為了研究基因組區室化的機制，作者對初生組織中分離的四種小鼠細胞類型中進行了Hi-C實驗。這四種細胞類型均具有常規或倒置核結構：桿光感受器（倒置），非桿視神經元細胞（常規），野生型胸腺細胞（常規）和無效核纖層蛋白B受體胸腺細胞（Lbr - / -）（倒置）（Fig. 1a）。常規核和倒置核從顯微鏡中可以看出核組織的巨大差異（Fig.1a），但是染色質組織特征中的拓撲結合域（TAD），染色體區域和區室均類似（Fig1.b），在單細胞Hi-C中也發現上述特點。
隨后，作者研究了常染色質和異染色質在空間定位上的差異是否會影響Hi-C中所見的核區隔，從Hi-C圖中計算了隔室剖面（Fig.1b），并將隔室化程度定義為隔室之間接觸的富集程度。在倒置核中，胸腺細胞的分隔程度僅略有降低，但在桿狀細胞中則變得更強（Fig.1c）。
Fig.1常規和倒置核的顯微鏡觀察和Hi-C分析
綜上所述，分析表明，盡管在倒置時單個A或B室的空間位置發生了變化，但仍保留了分區的程度(Fig.1a, d)，表明其分區的機制不能嚴格依賴于核層。為了協調倒置核與常規核的Hi-c區室的劃分與這些核中不同空間幾何形狀之間的關系，作者尋求一種滿足以下三個標準的劃分機制。1、它應該重現倒置的核，通過顯微鏡定量定義不同類型染色質的徑向位置和Hi-C技術區分區室化的強度。2、它應該重現常規的核，當引入異染色質和核層之間的有吸引力的相互作用時，常規的核的特征是在Hi-C中顯示類似程度的區室化，但是在顯微鏡觀察下區室的空間位置明顯不同。3、它應該是基于合理的生物上和物理上的力，這就限制了不同類型的染色質與核層的染色質之間的相互作用。
2. 倒置的核的形態限制了可能的區室化模型
為測試區室化的機制，作者開發了染色質的平衡聚合物模型，其代表染色體作為嵌段共聚物（Fig.2a），類似于其他分離的分離模型。擴展以前的兩種模型，作者模擬使用三種類型的單體：常染色質（A）異染色（B）和中心體組成型異染色質（C）。作者模擬了8條染色體；每條染色體由6,000個單體組成；每個單體代表40kb染色質；在球形核中以35％的體積密度分布。A和B單體的序列反映倒置的核的Hi-C數據中的區室化。為了表示Hi-C中無法顯示的中心區域或染色體中心，作者在每個染色體近端放置了1塊C單體（長度為染色體的16%）。所有單體都排除了體積，并根據其染色質類型的短距離成對吸引。給定六個成對吸引參數（A-A，A-B，B-B，B-C，C-C和A-C），所有可能的吸引強度排列都指定720（6）類模型（參見方法）。為了限制可能模型的空間，作者首先定量地將所有720類模型與顯微鏡觀察的數據進行比較。 具體而言，作者計算了A，B和C單體的徑向分布，并將模擬中獲得的分布與顯微鏡中獲得的分布進行了比較（Fig.2b）。大多數模型類型與顯微鏡中觀察到的倒置核的同心幾何形狀不一致（Fig.2c）。 例如，過強的B-C相互作用導致B和C混合（Fig.2c，模型8和擴展數據Fig.6a-c），而相對較弱的B-C相互作用導致C單體染色體從a中排出B單體的中心質量（Fig.2c，模型112）。過強的A-A相互作用傾向于促進大的常染色質小球的形成（Fig.2c，模型650和擴展數據Fig.6d-f）。
以上結果表明，與常染色區域的活動相關的聚類是作為區域化基礎的主要機制。只有八類模型可以重現實驗觀察到的倒置幾何形狀（Fig.2b，c）。作者專注于最合適的模型類型，并進一步簡化這些模型，將C-C固定得足夠高以誘導C單體的中心球，A-A始終是遠小于B-B（擴展數據Fig.7d），并且所有交叉項都是各個純項的幾何平均值（例如，A-B =（A-A×B-B）1/2） ，從而滿足Flory-Huggins相分離標準。 這使得B-B吸引力成為唯一的自由參數。
Fig.2 倒置的核的形態限制了可能的區室化模型
3. 基于異染色質的機制定量地再現倒置和常規核
接下來，作者再現顯微鏡圖像中看到的反轉核的異染色質主導模型，測試其是否可以同時再現在Hi-C數據中觀察到的區室化。通過確定相互作用強度的順序，作者發現了一系列B-B吸引的模型可以定量再現Hi-C數據和顯微鏡觀察（Fig.3a，b）。作者通過對倒置核的分析揭示的異染色區域之間的吸引力的中心作用，與此形成對比觀點認為異染色區域間相互作用取決于同染色區域之間相互作用，或者是同作為分隔作用主要驅動力是薄層之間相互作用的。異染色區域之間更強的吸引力與最近觀察到的異染色區域相關組蛋白甲基化在決定染色體力學性能方面的主導作用是一致的。
為了將作者的模型擴展到傳統的原子核中，其表示了具有短程吸引的異染色質-薄層相互作用(B-Lam引力，Fig.3c, d)。為了對實驗中發現的不同染色體進行建模，作者將c單體簇固定在薄層上隨機的位置。固定不需要在一段時間內保持不同的染色體中心，但需要在平衡模擬中保持它們的分離(補充視頻1)。通過全面的B-B和B-Lam吸引物，作者發現他的模型可以同時重現顯微鏡圖像中觀察到的活性和非活性染色質的空間定位，以及野生型胸腺細胞在Hi-C數據中觀察到的區室化。盡管再現顯微鏡數據需要足夠強的B-Lam而不進一步限制這些參數，同時再現在Hi-C數據中觀察到的區室化會縮小B-Lam和B-B吸引力的范圍（Fig.3c，d）。值得注意的是，常規核的最佳擬合B-B吸引區域包含最適合倒置核的B-B吸引力。由于組蛋白修飾與倒置和常規細胞核中相同類型的染色質相關，作者謹慎地假設B-B吸引力在兩種核類型中保持相同。通過這種約束，作者可以縮小可能的B-Lam值的范圍（約0.3kT;Fig.3c），并發現B-Lam吸引力應該與B-B吸引力相當?？傊?，作者的模擬表明兩者都是由倒置和常規細胞核主要由異染色質 - 異染色質吸引力控制，而異染色質 - 薄層吸引力控制全局空間形態。
Fig.3異染色質為基礎的機制定量復制倒置核和常規核
4. 隔室強度在核反演過程模型和實驗中的時間演化和維持過程。
為了驗證作者提出的劃分機制，作者模擬了一個核反轉的時間過程(Fig.4a, b)，為此，作者關閉了模擬常規核中薄片-異染色質的相互作用，并觀察到了自發核反轉(Fig.4b)。值得注意的是，模擬的時間過程反映了活躍的桿分化過程中的關鍵 (Fig.4b)。B和C單體在模擬中經歷不可逆的液體狀融合，類似于其他相分離系統（Fig.4b）。在模擬中，雖然在異染色質離開薄層后，區隔分離會暫時下降(Fig.4a)，但在整個反轉過程中，區隔仍然是分離的。在顯微鏡顯示在棒狀的核轉化的整個過程期間，個體基因組位點與其自身區室類型的染色質一起重新定位。例如，視紫紅質基因座仍與常染色質（A區室）相關，并且視紫紅質受體在整個翻轉過程中保持表達（Fig.4c）。為了進一步測試作者提出的分區機制，從倒置幾何中初始化模擬并重新引入薄層-異染色質相互作用。這些模擬預測只有部分去反轉：而B單體取代了核周邊的A單體，C單體仍然是由B單體包圍并與薄層相關的單個大小球。
Fig.4 隔室強度在核反演過程模型和實驗中的時間演化和維持過程
文章小結
哺乳動物細胞中常染色質和異染色質存在空間上的分離，但區室化的形成機制尚不清楚。本研究對夜行哺乳動物的視桿細胞倒置核進行Hi-C分析并結合顯微鏡和多聚體模擬，發現異染色質區域間的吸引對建立區室化及著絲粒周邊異染色質，可調節性異染色質和常染色質的建立至關重要。倒置細胞核中加入異染色質和核纖層的相互作用可重建傳統細胞核中的組織。
解析文獻
Martin Falk, et al. Heterochromatin drives compartmentalization of inverted and conventional nuclei [J]. Nature, 2019, 570, pages395–399.
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Hi-C是以整個細胞核為研究對象，利用高通量測序技術，結合生物信息分析方法，研究全基因組范圍內整個染色質DNA在空間位置上的關系，獲得高分辨率的染色質調控元件相互作用圖譜。Hi-C可以與RNA-Seq、ChIP-Seq、ATAC-Seq等數據進行聯合分析，從基因調控網絡和表觀遺傳網絡來闡述生物體性狀形成的相關機制。
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