Nat Commun | 何愛彬研究組揭示造血干細(xì)胞起源的表觀遺傳層級(jí)調(diào)控
2022年1月17日，北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所、生命科學(xué)聯(lián)合中心何愛彬研究組在NatureCommunications雜志在線發(fā)表研究論文“Pre-configuring chromatin architecture withhistone modifications guides hematopoietic stem cell formation in mouse embryos”，從跨尺度的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)、組蛋白修飾及造血相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子RUNX1的表觀調(diào)控維度，揭示了HSC起源的命運(yùn)決定機(jī)制。
造血干細(xì)胞（hematopoietic stem cell, HSC）維持整個(gè)造血系統(tǒng)的細(xì)胞群體組成與功能。內(nèi)皮-造血轉(zhuǎn)化（endothelial-to-hematopoietictransition, EHT）是HSC重要的起源過程：在背主動(dòng)脈的腹側(cè)，部分早期動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞（early arterialendothelial cell, eAEC）特化為生血內(nèi)皮細(xì)胞（hemogenic endothelial cells, HEC），產(chǎn)生造血干細(xì)胞前體（pre-HSC），進(jìn)而成熟發(fā)育為長(zhǎng)期造血干細(xì)胞（long-term hematopoietic stemcell, LT-HSC）。雖然單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析及功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證剖析了從eAEC向HSC發(fā)育的動(dòng)態(tài)軌跡上的不同細(xì)胞群體1, 2，但是，HSC譜系起源和命運(yùn)決定是如何受到包括染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)、組蛋白修飾及轉(zhuǎn)錄因子的多維表觀機(jī)制整合調(diào)控的，則尚未可知。
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為了探究哺乳動(dòng)物胚胎中多維表觀遺傳層級(jí)如何調(diào)控HSC發(fā)生這一科學(xué)問題，該研究突破了少量細(xì)胞檢測(cè)的技術(shù)瓶頸，應(yīng)用少量細(xì)胞sisHi-C（small-scale in situ Hi-C）技術(shù)3和何愛彬團(tuán)隊(duì)于2019年開發(fā)的少量細(xì)胞itChIP-seq（indexing and tagmentation-based chromatinimmunoprecipitation sequencing）技術(shù)4，分別在數(shù)百個(gè)細(xì)胞中，檢測(cè)染色質(zhì)互作結(jié)構(gòu)、組蛋白修飾及轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合圖譜。作者從小鼠胚胎的主動(dòng)脈-性腺-中腎區(qū)和胎肝中分別收集了HSC發(fā)育路徑上相鄰的四種細(xì)胞類型：eAEC、HEC、pre-HSC以及LT-HSC（圖1）。結(jié)合團(tuán)隊(duì)近期發(fā)表的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)1, 2，以大范圍到小范圍的不同層級(jí)染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)育變化為主線，進(jìn)行HSC起源的多維表觀遺傳調(diào)控機(jī)制解析。
圖1.細(xì)胞樣品示意圖及多維表觀調(diào)控檢測(cè)
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促進(jìn)造血發(fā)生的染色質(zhì)互作變化發(fā)生在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（topologically associated domain, TAD）內(nèi)部。在大尺度的染色質(zhì)區(qū)室層級(jí)（100 Mbp），基因組被劃分為轉(zhuǎn)錄活躍性高的A類區(qū)室和轉(zhuǎn)錄活躍性低的B類區(qū)室。僅有約10.78%的基因組區(qū)域存在任兩個(gè)時(shí)期之間的A/B類區(qū)室互換的現(xiàn)象。TAD為染色質(zhì)區(qū)室的下一級(jí)結(jié)構(gòu)，其邊界富集了H3K4me3信號(hào)，存在阻隔強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，但并未直接影響TAD邊界附近基因的表達(dá)。而進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，TAD內(nèi)部的調(diào)控元件互作及伴隨的組蛋白修飾變化，直接與造血發(fā)育進(jìn)程相關(guān)。
HSC特異的增強(qiáng)子在eAEC中已經(jīng)處于一定程度的激活狀態(tài)。與以往的從無到有的增強(qiáng)子激活認(rèn)知不同的是，在EHT初期的eAEC中，造血過程相關(guān)TAD中的增強(qiáng)子已經(jīng)顯著富集激活性組蛋白修飾（H3K27ac和H3K4me1）。從eAEC經(jīng)過HEC，到pre-HSC，增強(qiáng)子的活性信號(hào)并沒有變化，僅在pre-HSC至LT-HSC這一階段才進(jìn)一步增強(qiáng)。這提示在eAEC中，已經(jīng)初步準(zhǔn)備好了造血發(fā)生的相關(guān)染色質(zhì)修飾基礎(chǔ)，但需要染色質(zhì)互作結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，驅(qū)動(dòng)促進(jìn)HSC產(chǎn)生（圖2）。
染色質(zhì)互作在早期變化最顯著。EHT初期（eAEC-HEC），TAD內(nèi)部染色質(zhì)互作大幅度變化，造血相關(guān)基因所在區(qū)域的互作顯著增強(qiáng)。在EHT末期pre-HSC到LT-HSC轉(zhuǎn)變中，TAD內(nèi)互作只是小幅度增強(qiáng)，但標(biāo)記活性增強(qiáng)子的組蛋白修飾H3K27ac則一定程度顯著提升。整個(gè)過程中，相應(yīng)的抑制性組蛋白修飾H3K27me3逐步減弱，為造血發(fā)生創(chuàng)造活躍染色質(zhì)環(huán)境（圖2）。
圖2. HSC發(fā)生的多維表觀遺傳層級(jí)調(diào)控示意圖
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令人意外的是發(fā)現(xiàn)早在eAEC時(shí)期，RUNX1蛋白已富集結(jié)合于增強(qiáng)子-啟動(dòng)子（E-P）互作的錨點(diǎn)區(qū)域。RUNX1 是一個(gè)重要造血發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子5，一般認(rèn)為它為驅(qū)動(dòng)HSC的發(fā)生所必須，其表達(dá)時(shí)間與HSC一致，它的缺失會(huì)造成胚胎造血異?；蛑滤?, 7。受限于檢測(cè)技術(shù)對(duì)細(xì)胞數(shù)目的要求，很多已有研究只能使用體外分化樣品或細(xì)胞系進(jìn)行RUNX1的ChIP-seq實(shí)驗(yàn)8, 9,10，以探究RUNX1如何調(diào)控HSC細(xì)胞命運(yùn)。利用新開發(fā)的高靈敏度itChIP-seq技術(shù)，該研究以100-500個(gè)分選細(xì)胞為起始樣品，檢測(cè)了eAEC、HEC、pre-HSC和LT-HSC的RUNX1全基因組結(jié)合圖譜。研究發(fā)現(xiàn)，HSC發(fā)生過程中，RUNX1參與了約40.9%的E-P互作。其中，互作強(qiáng)度暫時(shí)或持續(xù)上升的E-P互作與造血及免疫過程顯著相關(guān)（圖3）?；赗UNX1結(jié)合互作的啟動(dòng)子及增強(qiáng)子區(qū)域，該研究預(yù)測(cè)出與RUNX1協(xié)同調(diào)控染色質(zhì)互作的其它轉(zhuǎn)錄因子，如GFI1b、PU.1、IRF家族蛋白、SMAD家族蛋白等。該預(yù)測(cè)結(jié)果為RUNX1協(xié)同其它轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)控EHT的機(jī)制探究提供了指示方向。
圖3. RUNX1參與增強(qiáng)子-啟動(dòng)子(E-P)互作及調(diào)控相關(guān)生物學(xué)過程
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簡(jiǎn)而言之，該研究突破了體內(nèi)樣品細(xì)胞數(shù)目限制的技術(shù)瓶頸，整合了多層級(jí)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、不同組蛋白修飾及轉(zhuǎn)錄因子RUNX1的多組學(xué)數(shù)據(jù)，揭示了HSC起源的表觀遺傳層級(jí)調(diào)控新機(jī)制。
何愛彬教授、劉兵研究員（解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心）、蘭雨研究員（暨南大學(xué)）為本文共同通訊作者。北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所博士李晨、軍事科學(xué)院博士生張廣雨為論文共同第一作者，感謝清華大學(xué)頡偉教授對(duì)sisHi-C技術(shù)的分享。該研究獲得了科技部干細(xì)胞專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省重點(diǎn)研究開發(fā)項(xiàng)目、生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)高性能計(jì)算中心和生命科學(xué)學(xué)院鳳凰平臺(tái)的大力支持。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28018-z
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