染色质可及性分析的研究进展

在细胞核内,染色质可及性模式会随着外部刺激和发育线索的改变而发生动态变化。染色质可及性重构对于基因表达调控至关重要,在建立和维持细胞特性等方面发挥着重要作用。因此开展染色质可及性的研究对染色质功能上的三维解析具有十分重要的意义。近几年,随着高通量测序技术的进步以及测序成本的降低,基于高通量测序技术的染色质可及性分析方法得到了迅速发展。目前观察和分析全基因组染色质开放与否的常见技术主要有脱氧核糖核酸酶I超敏位点测序(DNase-seq)、微球菌核酸酶测序(MNase-seq)、甲醛辅助分离调控元件测序(FAIRE-seq)以及转座酶可及性测序(ATAC-seq)。本文比较了这4种染色质可及性分析技术的优缺点,详细介绍了它们的原理及主要实验流程,并简要讨论了它们的发展及相关技术的应用,期望通过这些互补的方法为染色质分析领域的未来发展提供一些借鉴和思路。

染色质结构之美——染色质可及性

染色质可及性(chromatin accessibility)作为一种衡量染色质结合因子与染色质DNA结合能力高低的染色质属性,是评价染色质结构稳态的重要指标之一,在多种细胞核进程中扮演重要角色,包括基因转录调控以及DNA损伤修复等。该属性的异常调控与多种疾病的发生发展密切相关,包括肿瘤以及神经退行性疾病等。对于该属性探究已经成为生命科学与疾病领域的热点。伴随越来越多的新技术应运而生,例如染色质构象捕获技术、高通量测序技术以及两种技术的结合等。随着技术的进步,多种参与调控染色质可及性的因素被发现和总结,包括核小体占位、组蛋白修饰以及非编码RNA等。多项大规模的染色质组学数据绘制了多种疾病的染色质可及性图谱,为揭示疾病的发生发展与染色质可及性之间的关系提供了数据支持。同时,随着单细胞染色质可及性测序技术的发展,实现了对细胞类型染色质层面的划分,弥补了单纯依赖基因表达划分细胞类型的不足。本文将从染色质的组成与可及性、影响染色质可及性的因素、染色质可及性的检测方法,以及染色质可及性与癌症的关系等方面简要阐述染色质可及性的研究进展。

染色质调节因子对乳腺癌预后的预测价值

目的探讨染色质调节因子(CRs)在乳腺癌中的差异表达及其对预后的预测价值。方法利用癌症基因组图谱数据库筛选乳腺癌和正常乳腺组织中差异表达的CRs,并通过最小绝对值收敛和选择算子算法-Cox回归分析构建预后风险模型,根据风险分数(Risk score)将乳腺癌患者分为高风险组和低风险组;同时分析风险模型与乳腺癌患者临床特征的相关性,并对每个基因进行单独验证。结果本研究识别了127个在乳腺癌中差异表达的CRs,并基于16个关键CRs构建了预后风险模型;低风险组患者中年龄≤65岁、StageⅠ~Ⅱ期、Ⅲ~Ⅳ期、T_(0)~T_(1)、T_(2)~T_(3)、N_(0)~N_(1)、N_(2)~N_(3)者总生存期均高于高风险组(均P<0.05)。结论CRs能预测乳腺癌患者的预后。

精子染色质完整性对功能的影响及其检测方法研究进展

精子染色质不仅携带父系DNA等遗传信息,还携带有结构蛋白、表观遗传信息、高级染色质结构(如基质附着区和端粒)等众多信息,这些信息在胚胎发育过程中均发挥着重要作用。本文主要综述了精子染色质携带的这些不同信息对精子功能和胚胎发育的影响及其相关检测方法的研究进展,以期为临床不育、胚胎停育和反复流产的病因筛查提供理论依据和科学的诊疗策略,改善自然受孕和辅助生殖助孕的妊娠结局。

脱氧核糖鸟苷酸对染色质松弛程度的调控作用

真核生物的染色质结构在基因转录、DNA修复等生物学过程中发生动态变化,其松弛程度和组蛋白修饰受到多种机制的严密调控.在研究DNA修复机制的过程中,发现敲除S期抑制基因(Spd1)可以逆转多种DNA损伤应答(DDR)突变体的表型缺陷,该遗传相互作用涉及到DDR的多个信号转导通路.Spd1的主要功能是抑制脱氧核糖核苷酸(dNTP)的生物合成,这说明敲除Spd1可以通过改变dNTP库的水平或组分来影响DNA损伤应答.进一步分析发现,Spd1缺陷促进染色质松弛,导致突变菌株的染色质对微球菌核酸酶的敏感,由此说明dNTP水平的增高可以促进染色质的紧密程度.最后,通过利用可以转运外源dNTP的FY2317菌株,制备原生质体,利用半离体的体系证明过量的dNTP,特别是脱氧核糖鸟苷酸(dGTP)可以模拟Spd1缺失菌株的表型,显著提高染色质的松弛程度.综上所述,研究发现了一种新的调控染色质松弛程度的遗传机制,可以影响DNA损伤修复的应答.

基于生物信息学筛选肠易激综合征免疫浸润下的染色质调节因子

目的:通过生物信息学分析,筛选出肠易激综合征(irritable bowel syndrome, IBS)免疫浸润下的潜在染色质调控因子(chromatin regulators, CRs),并阐述其与免疫细胞、免疫功能之间的联系。方法:整合CRs文件和IBS基因表达矩阵,进行加权基因共表达分析和差异性分析,取其交集CRs;基于交集CRs,进行蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction, PPI)分析并构建网络图;利用基因表达矩阵进行免疫浸润的提取和量化,分析免疫细胞之间和免疫功能之间的相关性和差异性,并与PPI网络图中的CRs进行相关性分析;构建风险模型,分析与免疫浸润密切相关的CRs的风险概率,从而筛选出潜在的CRs。结果:PPI分析共确定13个IBS中存在相互作用的CRs;免疫细胞中,B细胞与滤泡辅助性T细胞的相关系数值最高,呈正相关(r=0.90);免疫功能中,检查点与T细胞共抑制的相关系数值最高,呈正相关(r=0.89);与健康受试者相比,IBS患者树突状细胞、未成熟树突状细胞、Th1细胞和抗原呈递共刺激显著增高(P均<0.05);CRs与免疫浸润相关性分析结果显示,SIN3转录调节因子家族成员B(SIN3B)与自然杀伤细胞呈正相关,丝氨酸/精氨酸重复基质蛋白2(SRRM2)与Th1细胞、抗原呈递共刺激呈正相关,而DPY30与辅助性T细胞、Th1细胞呈负相关;风险模型结果显示,SIN3B、SRRM2可能是IBS的独立风险因素。结论:SIN3B、SRRM2为IBS免疫浸润的潜在CRs,其可能通过调控自然杀伤细胞、Th1细胞和抗原呈递共刺激,从而调节IBS的发生发展。

染色质调节因子相关的lncRNA肾透明细胞癌预后模型的构建和验证

目的构建染色质调节因子(CR)相关长链非编码RNA(lncRNA)的肾透明细胞癌(ccRCC)预后模型,提高ccRCC的预后管理。方法从TCGA数据库下载ccRCC的转录组数据和临床数据,并通过“caret”R包将ccRCC样本以7∶3的比例分为训练集(166例)和验证集(71例)。基于“DESeq2”R包筛选出差异表达的CR及相关的lncRNA。构建CR与lncRNA的共表达网络,并筛选出相关系数|rs|>0.3且P<0.05的差异lncRNA。利用单因素Cox、Lasso和多因素逐步Cox回归分析,构建CR相关的lncRNA预后模型。计算训练集和验证集样本的风险评分,根据风险评分的中位数将ccRCC患者分为高、低风险组。K-M曲线和受试者操作特征(ROC)曲线评价模型,单因素和多因素Cox回归分析评估风险评分的独立预测性能。“DynNom”和“shiny”R包开发在线预测工具。单样本基因集富集分析探索风险评分与免疫微环境及免疫检查点的关系。结果本研究最终纳入237个肿瘤样本和72个癌旁正常组织样本,鉴定了1025个CR相关的lncRNA,最终筛选得到7个CR相关lncRNA(DUXAP8、AC026462.3、LINC01460、AL592494.1、AL353804.2、AC012462.1、AC009518.1)构建预后模型,并将其开发成在线工具(https://xzlmodelshiny.shinyapps.io/DynNomapp/)。高危组患者的生存率低于低危组(P<0.05),ROC曲线表明模型预测效能较好,单因素分析和多因素分析中风险评分的HR值分别为4.058(95%CI:2.530~6.508,P<0.001)和3.096(95%CI:1.887~5.080,P<0.001)。高风险组MDSC和Tregs细胞等免疫抑制细胞的浸润比例高于低风险组,趋化因子、免疫检查点及副炎症等通路的富集水平高于低风险组(P<0.05)。此外,风险评分与免疫检查点TNFRSF25和TNFSF14呈正相关(r>0.3,P<0.05)。结论本研究构建的CR相关的lncRNA风险模型可独立有效地预测ccRCC患者的预后。

染色质三维构象在精子发生中的研究进展

染色质是调节生物体遗传的重要物质,是维持细胞有序表达基因及蛋白质的重要载体。随着科学技术的不断进步,许多研究通过染色质构象捕获技术(High-Through Chromosome Conformation Capture,Hi-C)对染色质内部结构进行解析,对染色质区室、染色质疆域等有了更清晰的认识。在哺乳动物的精子发生过程中,染色质结构的改变对基因调控等起到了重要作用。精子发生是精原细胞增殖分化形成精子的过程,包括精原细胞的自我更新与分化、精母细胞的减数分裂以及精细胞的变形。本文主要阐述染色质三维构象捕获技术及其衍生技术、染色质的层级结构、精子发生过程中染色质三维构象变化的前沿进展,为精子发生的机制研究提供新思路。

基于TCGA构建染色质调节因子相关LncRNA的胃癌预后模型

目的通过TCGA数据库构建胃癌染色质调节因子相关LncRNA的预后模型,协助评估胃癌患者的预后。方法从TCGA数据库下载胃癌的转录组数据及临床数据,通过差异分析获得在胃癌中差异表达染色质调节因子后共表达筛选出染色质调节因子相关LncRNA,采用COX分析构建胃癌预后模型,并对其预测能力进行风险曲线分析、单因素和多因素独立预后分析、多指标采用受试者工作特征(ROC)曲线验证。结果通过差异分析得出148个在胃癌中差异表达的染色质调节因子,共表达分析及COX分析发现,12个染色质调节因子相关LncRNA具有预后作用并纳入构建预后模型。生存分析、风险曲线分析、单因素和多因素独立预后分析、多指标ROC曲线分析结果均显示该预后模型具有较好的预后预测效果。结论成功构建胃癌染色质调节因子相关LncRNA预后预测模型,能较好地预测患者预后,为胃癌治疗提供参考。

基于转录组与染色质开放性分析青稞对白粉病胁迫的响应

【目的】探究白粉病胁迫对青稞基因表达和染色质开放性的影响及青稞白粉病胁迫响应分子机制。【方法】对青稞白粉病高抗品种GND7和高感品种ZQ13进行白粉菌侵染和空白处理(利用水替代侵染),收集青稞叶片进行转录组测序和染色质开放性测序,筛选差异表达基因与差异开放性区域。【结果】ZQ13样本白粉菌侵染前后得到1647个差异基因,其中980个基因在侵染过程中上调表达,667个基因在侵染过程中下调表达。针对白粉菌侵染过程中染色质开放性研究发现,ZQ13样本侵染前后共获得7310个差异开放性区域,其中424个区域开放性上调,6886个区域开放性下调。GND7样本白粉菌侵染前后得到1119个差异基因,其中657个基因在侵染过程中上调表达,462个基因在侵染过程中下调表达。针对白粉菌侵染过程中染色质开放性研究发现,GND7侵染前后共获得2573个差异开放性区域,其中1343个区域开放性上调,1230个区域开放性上调。通过转录组和染色质开放性联合分析,筛选出AP2/ERF转录因子(HOVUSG2735700)、MYB1R1转录因子(HOVUSG4226000)等。【结论】青稞在白粉菌侵染过程中基因表达量与染色质开放性发生了较大变化,AP2/ERF转录因子(HOVUSG2735700)、MYB1R1转录因子(HOVUSG4226000)等可能在青稞响应白粉病胁迫中发挥重要作用。

染色质重塑:在疾病机制与治疗中的新视角

染色质重塑是调节基因表达和维持基因组稳定性的关键机制。近年来,随着表观遗传学研究的深入,染色质重塑在疾病的发生、发展及其治疗中的作用受到了广泛关注。特别是在癌症、神经系统疾病和代谢疾病等疾病中,染色质重塑因子的异常活动已被证明与疾病的机制密切相关。文章对其研究进展进行综述。

染色质重塑复合体INO80调控基因表达的机制研究

真核生物基因组DNA与组蛋白形成核小体,但真核基因组仍可结合转录、复制和修复过程的一系列酶,该过程主要受ATP依赖的核小体重塑复合物的调节.核小体重塑复合物INO80具有独特的结构特征,可促进复制叉停滞后重启,并在复制叉与转录物碰撞后帮助转录的基因清除RNA聚合酶Ⅱ.此外,INO80复合物还参与DNA损伤修复并抑制与编码序列方向相反的不适当转录.这些不同功能的基础是可促进核小体滑动并进行组蛋白变异体交换的核心ATPase亚基.本文主要概述染色质重塑复合物INO80的组成及其介导的基因表达调控机制研究的最新进展,为进一步研究INO80的生物学功能以及其在发育和疾病中的作用提供基础.

组蛋白及变体在染色质重塑中的功能:以水生动物精子发生为例

两性生殖中,精子作为携带父本信息的载体,是物种延续的关键因素。精子发生经历精原细胞、初级和次级精母细胞、圆形精子、成熟精子阶段。在圆形精子形成成熟精子过程中,染色质进行重塑,细胞形态发生剧烈变化,其中,组蛋白修饰和组蛋白变体在这些过程中发挥了重要作用:如甲基化主要与基因表达的激活或抑制有关;乙酰化激活转录活性并参与组蛋白沉积和DNA修复;磷酸化促进转录后修饰或参与DNA双链断裂修复;泛素化调节不同细胞途径中各式各样的蛋白质底物。组蛋白变体在调节染色体结构中发挥重要功能:如组蛋白H1变体在分化过程中具有抑制转录的作用;组蛋白H2A和H2B变体在精子染色质包装过程中发挥特有功能;H3.3是H3最重要的变体,在细胞周期的各时期都有表达;组蛋白H4则是进化最慢的组蛋白之一,目前还没有发现其组蛋白变体。本文围绕组蛋白翻译后修饰,梳理了甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等方面的最新进展和组蛋白变体在染色质重塑过程中的功能研究进展,随后针对各类组蛋白变体及其功能进行了总结,最后以半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)为例简要介绍这些研究对水生动物精子发生的启示。

多梳蛋白抑制复合体(PRC)在植入前胚胎发育过程中对染色质三维结构重建的影响

[背景]多细胞生物发育是一个极为复杂而协调的过程,伴随着组织特异性基因的时空特异性表达.近年来,人们逐渐意识到除转录因子及组蛋白翻译后修饰能影响邻近基因的表达外,染色质的三维(3D)结构组装同样对转录发挥重要调控作用.植入前胚胎及胚胎干细胞因具有分化为多种器官组织及持续增殖保持更新的能力,成为研究基因转录调控与染色质3D构象等表观遗传修饰相互作用的重要模型.[进展]多梳蛋白抑制复合体(polycomb repressive complex,PRC)在哺乳动物不同物种中都发挥多种功能,特别是在哺乳动物的植入前胚胎发生过程中其活性及基因组结合位点均发生显著变化.PRC不仅可以通过组蛋白修饰直接参与靶基因的转录调控,也可以协同其他转录因子,通过影响染色质微环境进而参与靶基因转录调控进程.本文重点探讨哺乳动物(人与鼠)的植入前胚胎发育过程中染色质3D构象剧烈变化的规律,并归纳PRC在上述过程中作用机制的新进展.[展望]考虑到PRC在不同细胞中参与转录调控过程的复杂性,未来需要进一步实验来研究PRC的不同组分在胚胎发育过程中细胞染色质3D构象构建中的贡献,特别要注意不同附属蛋白的功能代偿性及协同性.

植物染色质重塑复合体的保守性和特异性

真核生物基因组DNA及其所包绕的组蛋白形成的核小体是染色质的基本单位。染色质的形成一方面有助于将基因组DNA组装到细胞核中,另一方面也对基因表达具有重要影响。染色质重塑因子能够利用水解ATP产生的能量调控染色质上核小体的组装、移除、滑动及组蛋白变体的置换等,从而调控基因转录和其他多种生物学过程。真核生物中的染色质重塑因子主要包括SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80四类,这些染色质重塑因子往往以多亚基复合体的形式存在。最近的研究工作系统鉴定了植物染色质重塑复合体的亚基组成和功能,揭示了植物染色质重塑复合体相对于酵母及动物染色质重塑复合体的保守性和特异性。对于这些复合体调控基因转录分子机制的认识也在不断深入。这些发现为深入研究染色质重塑在植物生长发育和胁迫应答中的作用奠定了基础。

染色质调节因子在肿瘤微环境中促进上皮性卵巢癌发生发展的研究进展

上皮性卵巢癌(EOCs)是卵巢癌最常见的病理类型之一,其发病机制复杂,预后较差,患者5年生存率不到40%,严重威胁了女性患者的生命健康,因此,需要寻找新的诊断标志物。染色质调节因子(CRs)是一类关键的蛋白质和非编码RNA分子,参与了调控基因表达、决定细胞命运以及肿瘤细胞与免疫细胞之间的相互作用等过程。近年来,越来越多的研究表明,染色质调节因子在上皮性卵巢癌肿瘤微环境(TME)中发挥重要作用。

适用于多种禾本科植物染色质转座酶可及性测序的提核建库方法

为建立适用于多种禾本科植物染色质转座酶可及性测序(assay for transposase accessible chromatin with high-throughput sequencing, ATAC-seq)的细胞核提取和建库体系,本试验以水稻、小麦和结缕草的叶片及根系为研究材料,通过控制变量试验确定最佳的细胞核提取方法:采用液氮研磨样品,初步提核离心速度选取1200×g,2次ORB溶液去除细胞器等杂质,蔗糖梯度缓冲液纯化细胞核。通过构建文库、库检及测序分析发现,所提取的细胞核适用于染色质转座酶可及性测序的建库,可获得高质量测序数据。本试验建立的适用于多种禾本科植物的提核体系为获取禾本科植物染色质开放区域信息以及深入研究基因表达的调控方式奠定了基础。

原发性干燥综合征患者唾液腺中染色质调节因子相关基因的表达分析及其与免疫浸润的关系

目的分析染色质调节因子(CRs)相关基因在原发性干燥综合征(pSS)患者唾液腺中的表达情况,并探讨其与pSS患者唾液腺免疫浸润的相关性。方法通过下载并整合基因表达综合数据库(GEO)的3个包含pSS患者和健康对照者唾液腺基因表达阵列的数据集,纳入38例pSS患者作为pSS组,32例健康对照者作为对照组,并对22189个基因的表达情况进行分析,包括筛选与CRs有关的差异表达基因(DEGs)、基因本体论(GO)富集分析。所有数据集都在R语言(4.0.3)中使用相关程序包进行分析,采用ssGSEA算法获得不同免疫细胞和免疫功能的免疫浸润评分,并对不同免疫细胞间和不同免疫功能间的免疫浸润评分进行相关性分析。对pSS组和对照组的免疫浸润评分进行差异分析。结果从22189个基因中共筛选出850个与CRs有关的基因表达,差异分析共筛选出11个DEGs,其中包括10个上调基因和1个下调基因。GO富集分析提示,频率最高的4种生物学过程为正向调控DNA修复、调节DNA损伤刺激反应、非同源端连接修复双链DNA和DNA修复,所涉及的细胞组分包括性染色体、PML核体、染色体端粒和核心蛋白复合体。对免疫细胞的相关性分析提示,肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)和B细胞的相关性最高(r=0.90,P<0.001),其次为滤泡辅助性T细胞(Tfh)和TIL(r=0.72,P<0.001);在免疫功能方面,免疫检查点和T细胞共刺激的相关性最高(r=0.92,P<0.001),其次为免疫检查点和CC趋化因子受体(r=0.89,P<0.001)。pSS组9种免疫细胞和8种免疫功能的免疫浸润评分较对照组显著上调(P<0.05)。结论pSS患者唾液腺中DEGs数量较少,但是与受损唾液腺免疫浸润异常有关,值得临床医生的关注。

BRG1小分子抑制剂BBAi-1对Th17细胞中STAT3介导的增强子RORCE2染色质开放的影响

目的探讨BRG1小分子抑制剂BBAi-1在Th17细胞中是否会影响STAT3介导的增强子RORCE2染色质开放。方法检测WT和STAT3结合位点(STAT3-bindingsite,STAT3-BS)缺失小鼠脾脏CD4^(+)T细胞中RORγt基因和蛋白的表达水平以及Th17细胞频率。体外极化的Th17细胞分为WT对照组和BRG1小分子抑制剂(BBAi-1)处理组,检测RORCE2的染色质可及性、RORγt和IL-17A mRNA的表达水平,以及Th17细胞频率。建立EAE小鼠模型,分为WT对照组和BBAi-1给药组,免疫后进行临床评分,第30天处死小鼠,制备脊髓组织石蜡切片进行HE染色和LFB染色,制备脊髓浸润单核细胞悬液进行流式细胞术。结果STAT3-BS的缺失使脾脏CD4^(+)T细胞中RORγt表达和Th17细胞频率减少;BBAi-1使RORCE2区域染色质开放程度降低;BBAi-1损害了RORγt和IL-17A表达、Th17细胞分化;BBAi-1改善EAE小鼠疾病严重程度、降低了脊髓浸润的CD4^(+)T和Th17细胞。结论BBAi-1抑制STAT3介导的增强子RORCE2染色质开放,从而降低RORγt表达和Th17分化,进而影响实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)疾病进展。

肾透明细胞癌染色质调节因子相关预后风险模型的构建和验证

目的通过生物信息学方法鉴定肾透明细胞癌(ccRCC)预后相关的染色质调节因子(CRs),构建并验证一种新型染色质调节因子相关的预后风险模型。方法从癌症基因组图谱(TCGA)数据库和ArrayExpress数据库分别下载了TCGA-KIRC队列和E-MTAB-1980队列的转录组信息和临床信息。首先使用R包在TCGA数据集中识别癌与癌旁中差异表达的CRs。随后,通过单因素和多因素Cox回归分析确定预后相关的CRs并在训练队列中构建风险模型。根据风险评分的中位数将患者分为高风险组和低风险组。Kaplan-Meier生存分析用于比较高、低风险组之间的总生存期(OS)。受试者工作特征(ROC)曲线的曲线下面积(AUC)值用于评估模型的效能,并在测试队列和E-MTAB-1980外部队列中进一步验证。结果构建了一个4基因预后风险模型,生存分析表明高风险组患者的OS较短。在训练队列中,该模型预测1、3、5年OS的ROC曲线的AUC值分别为0.722、0.677、0.762。在测试队列和E-MTAB-1980外部队列中,该模型仍然表现出满意的效能。用于构建模型的4个CRs的表达情况也通过转录组测序得到验证,且风险评分是ccRCC的独立预后因素。此外,高风险组拥有更高的免疫活性和免疫细胞浸润水平。结论本研究揭示了CRs在ccRCC中的重要作用。染色质调节因子相关的风险模型可以准确预测ccRCC患者的预后。