Science Advances|魏文勝課題組與合作者首次揭示基因組“無用”序列穩(wěn)定染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)及細(xì)胞穩(wěn)態(tài)機(jī)制
人類基因組中的非編碼序列在多種生物學(xué)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如非編碼RNA、啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和轉(zhuǎn)座子等。作為在基因組中占比約98%的非編碼區(qū)域，仍有大量是功能未知的，這些曾被認(rèn)為是基因組中“垃圾”的區(qū)域，已被逐漸證實(shí)存在重要功能?；蚪M的三維結(jié)構(gòu)會(huì)影響基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控或其他細(xì)胞生命活動(dòng)，然而，除了研究較多的增強(qiáng)子-啟動(dòng)子成環(huán)所形成的三維結(jié)構(gòu)在調(diào)控基因表達(dá)上的作用外，其他大量非編碼序列在形成和維持正確三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)上是否具有潛在功能，在目前的研究中是被忽視的一個(gè)方向。之前有研究表明，改變非編碼序列能夠改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，如切除一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)結(jié)構(gòu)域（TAD）的邊界序列能夠?qū)е庐惓５幕虮磉_(dá)，誘發(fā)疾病產(chǎn)生。除了TAD邊界序列這一特殊類型，非編碼序列在結(jié)構(gòu)上的重要性目前還沒有系統(tǒng)性的研究，尤其是一些與TAD無關(guān)、無任何表觀遺傳信號(hào)或功能元件注釋的區(qū)域。
2021年11月3日，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）王巍課題組與北京大學(xué)、生命科學(xué)聯(lián)合中心魏文勝課題組在Science Advances上聯(lián)合發(fā)表了題為Noncoding loci without epigenomic signals can be essential for maintaining global chromatin organization and cell viability的研究論文，該研究基于分析得到的能夠形成大量三維互作的非編碼區(qū)域hub，通過CRISPR/Cas9系統(tǒng)對(duì)非編碼hub位點(diǎn)進(jìn)行靶向片段刪除進(jìn)而進(jìn)行高通量功能性篩選，發(fā)現(xiàn)了一些不包含任何表觀遺傳標(biāo)記的位點(diǎn)能夠顯著影響細(xì)胞生長(zhǎng)和存活，并對(duì)于穩(wěn)定全局染色質(zhì)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。
該研究基于來源于7個(gè)人類正常細(xì)胞系和癌細(xì)胞系中的5-kb分辨率的Hi-C數(shù)據(jù)（Rao?et al.?Cell?2014），將其中顯著的染色體內(nèi)互作對(duì)整合為片段互作網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)了其中與維持染色體三維結(jié)構(gòu)至關(guān)重要的互作中心位點(diǎn)hub。這些位點(diǎn)聚集于異染色質(zhì)區(qū)域，染色質(zhì)開放性較低，且與已注釋位點(diǎn)（包括蛋白編碼基因和非編碼RNA等）重合性較少（圖1A-B）。為了探究hub位點(diǎn)是否對(duì)于穩(wěn)定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)具有重要作用，該研究基于實(shí)驗(yàn)室建立的CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導(dǎo)的pgRNA片段刪除策略（Zhu?et al.?Nature Biotechnology?2016），在K562細(xì)胞中對(duì)其中960個(gè)非編碼hub位點(diǎn)進(jìn)行高通量功能性篩選，發(fā)現(xiàn)了35個(gè)影響細(xì)胞存活或增殖的重要功能區(qū)（圖1C）。其中，hub_22_7（chr22: 17,325,000-17,330,000, hg19）位點(diǎn)的切除能夠在K562細(xì)胞系中導(dǎo)致顯著的細(xì)胞死亡或細(xì)胞生長(zhǎng)抑制，而不影響其他多種癌細(xì)胞（圖1D）。
圖1 hub位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)及高通量功能性篩選
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篩選得到的hub位點(diǎn)不與任何蛋白編碼基因、非編碼RNA和TAD有重疊，其中77.1%（27/35）無任何組蛋白修飾或轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，包括hub_22_7位點(diǎn)（圖2A）。相比于切除基因組安全位點(diǎn)AAVS1，Hi-C分析表明該位點(diǎn)的切除會(huì)在多個(gè)染色體上產(chǎn)生大范圍染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化。單細(xì)胞測(cè)序進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，該hub位點(diǎn)的切除會(huì)激活一系列細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的表達(dá)，改變同一染色體上遠(yuǎn)端區(qū)域多個(gè)與細(xì)胞存活相關(guān)基因如THOC5的表達(dá)，結(jié)合Hi-C數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其增強(qiáng)子與啟動(dòng)子的互作發(fā)生破壞（圖2B-D）。由此表明，hub位點(diǎn)的破壞所誘導(dǎo)產(chǎn)生的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變能夠影響遠(yuǎn)端基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，進(jìn)而影響細(xì)胞功能。該研究首次揭示了無任何表觀遺傳信號(hào)的非編碼位點(diǎn)能夠穩(wěn)定染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)并維持細(xì)胞存活，通過對(duì)這類hub位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、篩選與功能解析，將進(jìn)一步豐富對(duì)基因組非編碼區(qū)域的功能闡述以及揭示其在維持三維基因組結(jié)構(gòu)中的重要作用。
圖2 hub位點(diǎn)切除導(dǎo)致染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)的同時(shí)改變
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加州大學(xué)圣地亞哥分校丁博博士，北京大學(xué)劉瑩博士、劉志恒博士和UCSD博士生鄭麗娜為該論文的共同第一作者，加州大學(xué)圣地亞哥分校王巍教授和北京大學(xué)魏文勝教授為論文共同通訊作者。該研究項(xiàng)目得到了加州再生醫(yī)學(xué)研究所（CIRM）、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科委生命科學(xué)前沿創(chuàng)新培育項(xiàng)目、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心以及中國(guó)博士后科學(xué)基金的支持。
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原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi6020
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