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：Hi-C、ATAC-seq 、ChIP-seq、RNA-seq
發表時間：2018年
研究背景
染色體形成多層次構象在基因表達調控中起著至關重要的作用。高通量染色體構象捕獲(Hi-C)揭示了基因組被組成幾百幾千堿基到一個百萬堿基長度的拓撲相關域(topological associated domain, TADs)，其中染色質區域TAD內部作用強于TAD外部。在所有的細胞類型中，TAD位置在進化過程中基本保守。然而，同一TADs內的基因在激素刺激或分化過程中表達是協調變化，這表明TADs不僅可作為結構單位，而且還可以作為轉錄調控的功能單位。此外，在TADs中，由特定蛋白或非編碼RNA介導的長期染色質相互作用連接遠端調控區域，如增強子和基因啟動子，使基因遠端表達調控成為可能。
摘 要
在本研究中，作者采用全反式維甲酸（ATRA）誘導的HL-60細胞作為白血病細胞分化的模型。用高通量測序（Hi-C）、染色質免疫沉淀聯合高通量測序（ChIP-seq）、轉座酶可及染色質聯合高通量測序（ATAC-seq）和RNA測序（RNA-seq）的方法分析并觀察差異表達基因（DEGs）在TAD中非隨機分布。在TADs中，基因與調控區域之間的染色質相互作用與基因表達水平和染色質可及性呈正相關。關鍵轉錄因子GATA2的表達和DNA結合在ATRA誘導后均下調；同時，染色質之間的相互作用GATA2啟動子和上游增強子丟失，增強子中染色質可及性改變。
技術路線
研究結果
1. ATRA誘導后間室和TAD位置無明顯變化
在對照組和ATRA處理的細胞中都觀察到類似的沿熱圖對角線的組織模式，這表明ATRA誘導后基因組的基本結構單元保持穩定。在ATRA誘導中，僅有0.81%的基因組表現出從A到B的間隔模式改變，0.48%的基因組表現出從B到A的間隔模式改變，說明基因組的間隔模式普遍保守，說明染色質構像和TAD位置在細胞間隔水平上沒有明顯變化。（圖1）。
圖1 ATRA誘導HL-60分化過程中的染色質構象
2. ATRA誘導改變了基因調控染色質的相互作用
染色質相互作用可以將遠端調控元件、啟動子和TSS移動到轉錄調控所需的鄰近位置。通過計算TADs內部的ChIP-seq信號變化染色質相互作用增加的TADs H3K4me3和H3K27ac水平相對增加，而染色質相互作用減少的TADs則相反。大多數基因調控相互作用可能會增強或至少促進靶基因表達，這可能與抑制或沉默基因表達的異染色質區域中的大多數基因間相互作用形成鮮明對比（圖2）。
圖2 ATRA誘導的差異基因調控相互作用分析
3.差異基因調控染色質相互作用與染色質可及性的改變相關
轉錄因子與開放性染色質區域的結合調節增強子活性和基因表達，并協調細胞分化。在ATRA處理的細胞中識別出41988個峰值，在對照細胞中識別出30870個峰值?？偟膩碚f，ATRA處理的細胞(ATRAspecific peak)能識別18446個峰，而對照細胞(control-specific cell)只能識別7328個峰。調控區域富集趨勢強于基因區域，說明開放染色質區域特別是遠端調控區域TF結合的變化調控染色質的形成。在調控網絡中，作者發現GATA2作為網絡度最高的最重要的樞紐節點。此外，GATA2與大多數富含ATAC-seq峰的轉錄因子以及已知的粒細胞分化關鍵調控因子相互作用通過整合染色質可達性信息和轉錄調控網絡，作者發現GATA在ATRA誘導HL-60分化過程中可能是一個重要的轉錄因子（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結構可以抑制ZBTB16 mRNA的表達
通過4C實驗進一步鑒定了GATA2及ZBTB16基因的關鍵增強子區域。在誘導分化過程中，這些增強子區域與啟動子互相作用的減弱與GATA2和ZBTB16表達水平的顯著下調密切相關，在此基礎上提出了調控蛋白的結合是否引起基因loop結構消失的模型（圖4）。
圖4失去了基因loop結構ZBTB16 ATRA誘導
總結
作者建立了一個整合多個組學數據的實驗和計算框架，研究染色質構象與轉錄調控的關系。將該框架應用于ATRA誘導的白血病分化過程中，提出特異性染色質構象改變影響關鍵基因轉錄和染色質構象，為疾病治療提供一種新的潛在藥物靶點。
參考文獻
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.