科学 2022-11-03 20:00 作者:思云科学评论:0    浏览:11186    

撰文 | 十一月二倍体生物有两套染色体,分别来自于父母双方。在哺乳动物中有大约200个基因被称为印迹基因(Imprinted genes),它们会只表达的来自父母双方之一的基因,生殖细胞系中的这些印迹基因带着来自亲本的DNA甲基化记忆。DNA甲基化标记的区域又被称为印迹控制区域(Imprinting control regions,ICRs)。印迹基因以及ICRs区域的DNA甲基化对于胚胎发育非常关键,破坏这些区域甲基化则会造成严重的生长发育障碍、神经以及代谢疾病【1】。除了作为亲代记忆的标记外,ICR还会通过协调比如非编码RNA以及增强子来控制印迹基因的表达。CTCF基因作为绝缘子阻断ICR区域增强子-启动子的接触,并定义拓扑结构域,构建印迹基因表达的染色质空间三维调节。然而,大多数印迹基因的拓扑结构域调控组织结构还尚不清楚。2022年9月14日,美国宾夕法尼亚大学Marisa S. Bartolomei研究组在Molecular Cell上发表了文章Tissue-specific Grb10/Ddc insulator drives allelic architecture for cardiac development,鉴定发现了一个非常规的差异甲基化区域(Differentially methylated regions,DMRs)作为Grb10以及Ddc印迹基因绝缘子调节心脏和肌肉发育的具体机制。在该工作中,作者们主要关注是位于小鼠11号染色体以及7号染色体上的生长因子受体结合蛋白Grb10以及多巴脱羧酶Ddc两个基因的印迹机制。Grb10编码多个基因印迹的亚型:一个来自于心脏和肌肉中丰富的Grb101a启动子的母本表达亚型以及两个来自与神经细胞谱系中Grb101b1/Grb101b2的父本表达亚型。为了鉴定与Grb10以及Ddc基因印迹相关的顺式调控元件,作者们对Grb10 ICR附近的序列进行了检测,并且检测了区域内CTCF的结合,从而可以确定基因调控元件的位置以及调控基因印迹的染色质三维拓扑结构信息。DNase超敏区域与Cohesin组分的共定位区域可能是推定的三维结构区域。作者们将发现的特征区域称为CBR2.3(图1)。在Ddc CTCF位点和CBR2.3之间又一个强烈相互作用的点【2】,说明这些元件是染色质的相互作用结构域的端点。CBR2.3跨越一个富含GC的序列,包括与CpGs重叠的经典CTCF结合位点基序。图1 Grb10-Ddc基因座上CTCF结合位点特征为了进一步地确认CBR2.3是否与等位基因特异性三维染色质结构相关,作者们通过Capture-C实验对远距离DNA相互作用进行了检测【3】。作者们发现父本等位基因与Ddc基因间区域相互作用,形成了一个150Kb的父本特异性环,母本Ddc基因间CTCF结合位点Cobl基因位点附近的两个CTCF位点相互作用形成了一个550kb相互作用区域。作者们发现Grb10、Ddc和Cobl位点与不同的等位基因结构相关,提供了这些基因空间连接的直接证据,并将该区域重新定义为印迹基因群。为了对CBR2.3的功能进行鉴定,作者们通过CRISPR-Cas9构建了生殖系CBR2.3的敲除。通过对CTCF的ChIP-qPCR实验,作者们发现父本敲除CBR2.3会造成显著CTCF结合的降低。但在野生型以及母本敲除的小鼠中则没有此现象。进一步地,作者们检测了CBR2.3在Grb10-Ddc基因表达中的作用,作者们发现胚胎时期共表达Grb10-Ddc的两个时期E16以及P2中,Ddc1a的表达在父本敲除的小鼠中心脏而非脑部的表达显著降低,而不会出现在母本敲除的小鼠中。这些结果说明CBR2.3具有父本特异性以及组织特异性,因此CBR2.3是父本Grb10-Ddc印迹基因位点的调控元件。为了进一步解析CBR2.3元件发挥作用的机制,作者们对CBR2.3上DNA甲基化进行了检测。作者们发现在所有检测的组织中,父本CBR2.3等位基因中2%-7%表现出显著低甲基化,而母本等位基因持续高甲基化。跨组织CBR2.3位点DNA甲基化的等位基因差异与Grb10 ICR位点的亲本DNA甲基化模式相似,这表明CBR2.3位点可能是该位点的次级ICR。进一步通过对CBR2.3父本与母本突变体的分析,作者们发现父本CBR2.3的缺失会造成心脏以及肌肉发育的缺陷。通过对CBR2.3父本与母本突变体基因组的Capture-C分析,作者们发现父本Grb10 DMR区域的CTCF结合对于亚三维拓扑结构域结构形成非常关键。最后,作者们对CBR2.3以及Ddc区域疾病相关的SNPs进行了分析,与小鼠内功能性分析的结果类似。图2 工作模型总的来说,作者们的工作在Grb10上绘制了一个内含子次级DNA甲基化结构域CBR2.3,与Ddc相互作用形成父本CTCF结合的空间调节拓扑结构域。父本CBR2.3的缺失导致染色质环和异位增强子-启动子接触的大量转移,不稳定的基因结构导致异常的Grb10-Ddc表达,从而导致心脏和肌肉发育的异常。该工作定义了Grb10-Ddc印迹基因的空间作用机制。原文链接:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2022.08.021参考文献1. Peters, J. (2014). The role of genomic imprinting in biology and disease: an expanding view. Nat. Rev. Genet. 15, 517–530. https://doi.org/10.1038/nrg3766.2. Hsieh, T.-H.S., Cattoglio, C., Slobodyanyuk, E., Hansen, A.S., Rando, O.J., Tjian, R., and Darzacq, X. (2020). Resolving the 3D landscape of transcription-linked mammalian chromatin folding. Mol. Cell 78, 539–553.e8. https:// doi.org/10.1016/j.molcel.2020.03.0023. Davies, J.O.J., Telenius, J.M., McGowan, S.J., Roberts, N.A., Taylor, S., Higgs, D.R., and Hughes, J.R. (2016). Multiplexed analysis of chromosome conformation at vastly improved sensitivity. Nat. Methods 13, 74–80. https://doi.org/10.1038/nmeth.3664.

 
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