這個技術揭示了染色體三維結構在心力衰竭中的作用

研究疾病發生機制?

DNA序列變異、基因表達變化、非編碼RNA調控機制、DNA甲基化修飾…

除了這些,我們還能做什么?

當然是基因組表觀層面的三維構象啦

用三維的視角,你會發現不一樣的風景

作為染色體三維結構與互作研究的利器,Hi-C技術可揭示染色體片段間的互作信息,闡述染色體三維結構,常常與WGS、WGBS、RNA-seq等技術聯合,從DNA線性序列、表觀修飾、三維構象、轉錄調控等多組學層面,研究疾病發生發展機制。

今天給大家介紹的這篇文章中,作者利用Hi-C技術揭示了染色體三維結構在心力衰竭中的作用,構建了發育和疾病發生中表觀基因組的變化模型。

研究背景

心力衰竭是一種毀滅性的疾病,雖然心力衰竭是一種多器官疾病,但它是由心肌細胞生物學的變化驅動的,這種復雜的細胞功能障礙的基礎是基因表達的變化,而細胞核內基因組的正確折疊決定了適當的基因表達和細胞功能,先前的研究已經證明了組蛋白修飾酶和這些修飾的識別酶在其中發揮重要作用。但是心肌細胞表觀基因組的基本折疊原理還未被揭示,基因組的三維結構是否會導致心血管疾病還有待確定。

在此研究中,作者使用兩種疾病模型成年鼠進行Hi-C,研究心力衰竭小鼠中全基因組范圍內的三維結構特征,由于轉錄組分析是表觀基因組結構變化的功能解讀,因此作者結合RNA-seq獲得基因表達圖譜,以揭示基因組三維結構在心力衰竭中的作用。

研究方法

材料:正常對照成年小鼠(CTRL),兩個不同的疾病模型–壓力超負荷性心肌肥厚成年小鼠(TAC)、染色體結構蛋白CTCF敲除成年小鼠(CTCF-KO),分離心肌細胞。

方法:Hi-C,RNA-seq,Chip-seq(CTCF)。

研究結果

疾病模型小鼠病理表型

對CTCF-KO小鼠的表型呈現明顯的心肌病,失去CTCF會導致射血分數受損、左心室擴張以及器官和細胞水平的肌肉肥厚。而TAC小鼠也表現出肥厚,并伴有較輕微的心室大小和射血分數的變化,這表明CTCF-KO和TAC小鼠代表了不同的病理生理模型。

疾病心肌細胞的染色體結構特征

CTRL、CTCF-KO、TAC小鼠的TAD結構分析顯示,三組的TAD數量分別為3686、3746和3705個,雖然整個基因組的TAD邊界數量變化小于2%,但是邊界強度發生了不同的變化。此外,CTCF-KO、TAC小鼠的染色體均有新的TAD邊界,包括發生邊界的轉移和新邊界的形成。

CTCF的缺失或TAC對染色體的A compartment和B?compartment的影響較小,而其中發生compartment轉換的區域與基因表達呈正相關,即從A?compartment到B?compartment轉換區域的基因表達下調,從B?compartment到A?compartment轉換區域的基因表達上調。CTCF-KO、TAC小鼠間存在41%的共有差異表達基因,兩者都表現出已知的標志基因激活。ChIP-seq檢測到CTCF靶向基因的轉錄起始位點,而這些基因富集在與心臟病相關的通路中。

疾病心肌細胞的染色體長距離loop特征

CTCF-KO、TAC小鼠的染色體長距離loop大小沒有明顯變化,但loop總數量減少。相比于對照組,CTCF-KO和TAC中消失的長距離loop中有51%兩者共有的,而新出現的loop中只有15%是兩者共有的;在疾病細胞中丟失的loop數大于新形成的loop數。在疾病細胞中發生重組(丟失/新形成)的loop中,富集與心血管功能相關通路中的基因。此外,重組loop中亦包含大量增強子–啟動子loop,其中在疾病細胞中丟失的loop富集與心臟病理相關的基因。

增強子-基因互作的改變

存在互作的9194個表達基因中,60%的基因在CTCF-KO和TAC中的互作變化方向相同。而剩余的40%基因中大多數(75%)是在某一組疾病細胞中虎作沒有發生變化的,25%是互作變化在兩組中相反的。在CTCF-KO和TAC中互作改變相同且差異表達的3651個基因中,絕大多數(86%)的局部互作減少(圖4B)。這些發現支持了這樣一種趨勢,即更多的動態染色質互作影響基因表達,兩組疾病細胞與對照相比,它們的基因表達變化方向更可能趨向一致。互作數量top 40的差異表達基因在疾病細胞中的互作持續下降,如與鈣依賴信號和心肌肥厚相關的基因Ppp3ca

在先前鑒定的成人心肌細胞增強子中,其中有115050個再本研究中存在互作。這些增強子的互作在疾病細胞中減少。事實上,其中47%在CTCF-KO中表現出了互作減少,67%在TAC中表現出互作減少。兩種疾病細胞中共有的增強子中,85%在兩者中均出現互作減少。且兩種疾病細胞中基因表達變化與其增強子-基因互作的減弱有關,且受影響的基因在心臟病理通路中富集,如Rock2

小結

正常對照成年小鼠(CTRL)和兩個不同的疾病模型(TAC、CTCF-KO)小鼠的Hi-C結果揭示了5 kb分辨率下心肌細胞的基因組相互作用,得到了染色體內和染色體間的互作事件,并為未來的心臟表觀基因組研究提供了依據。壓力超載或CTCF缺失選擇性地改變了TAD的邊界強度和A/B?compartment、基因組可及性。心力衰竭涉及致病基因周圍染色質互作穩定性的降低。此外,壓力超負荷或CTCF缺失重塑了心臟增強子的長距離互作,導致這些功能元件周圍局部染色質互作顯著減少。

作者以此研究為基礎,結合前人研究結果,構建了發育和疾病發生中表觀基因組的變化模型(如下圖)。發育過程中伴隨著染色質的變化,使最終分化的細胞具有穩定的轉錄組,而疾病破壞了這種平衡,通過影響染色質結構、增強子-基因loop、組蛋白修飾、DNA甲基化等,將基因組的特定區域轉變為更動態的構象。

參考文獻

Rosa-Garrido M, Chapski D J, Schmitt A D, et al. High Resolution Mapping of Chromatin Conformation in Cardiac Myocytes Reveals Structural Remodeling of the Epigenome in Heart Failure[J].?Circulation, 2017.

 

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