发育和癌症中染色质环结构变化

染色质环状结构是真核生物染色质高级结构形式。它与DNA复制过程中的复制子密切相关。在转录调控中,大范围的染色质结构形式控制着转录因子与目标位点的结合。在发育和癌症过程中这种染色质环结构都发生变化,并由此而引起遗传指令的改变。

染色质构象解析技术——Hi-C及染色质构象信息提取

真核生物染色质在核内的空间组织形式能影响DNA的空间分布,因而对基因转录、DNA复制等生物学过程具有调节作用。目前对这种空间上高度有序的基因组结构的认识还是粗糙的、碎片式的和不完整的。近年,利用染色质构象捕获技术发展起来的衍生技术——Hi-C技术,是一种研究全基因组范围的染色质相互作用以及探明全基因组的三维结构的分析技术。利用Hi-C技术能够对染色质内部或所有染色质之间的相互作用进行精细分析,从而把基因表达调控引入到空间的、全局性的研究层面,为全面解析与DNA有关的生物学过程的机理开启新的契机。本文主要阐述染色质构象解析技术Hi-C的实验原理、数据处理以及染色质构象信息提取,包括染色质内相互作用情况分析、全基因组基因活性分类、拓扑关联结构域(TAD)和染色质环(chromatin loop),介绍染色质构象信息与基因调控研究方面的国际前沿进展。

增强子RNA研究现状

增强子是真核生物基因表达调控的主要顺式作用元件,能有效促进基因表达。活化的增强子可以转录生成增强子RNA(enhancerRNAs,eRNAs),其合成受到信号系统和信号转录因子的约束。eRNAs与其他转录本(如lncRNAs和mRNAs)相比,其长度更短、稳定性更差、组织特异性更强。此外,eRNAs对增强子与启动子之间的染色质环(looping)的形成和稳定有一定的作用,并能促进靶基因的表达。目前,越来越多的研究发现eRNAs在发育和疾病发生等生物学过程中扮演着重要角色,但是其功能研究一直进展缓慢,调控机制尚不清楚。本文概述了eRNAs的特征、研究方法和功能特性,探讨了eRNAs作为潜在治疗靶标的可能性,以期为eRNAs的后续研究提供参考。

染色质调节元件与不同启动子的相互作用对基因表达调控的影响

为探究DNA序列元件对不同启动子调节转基因稳定表达的影响,利用遍在染色质开放元件(Ubiquitous chromatin opening elements,UCOE)和基质黏附序列(Scaffold/matrix-attachment regions,MAR)分别与含增强子的oct4基因启动子、含CpG岛的sox2基因启动子和不含调控元件的nanog基因启动子以及同时包含增强子和CpG岛的CMV启动子组合构建pOCT4-MAR、pOCT4-UCOE、pSOX2-MAR、pSOX2-UCOE、pNANOG-MAR、pNANOG-UCOE、pCMV-UCOE、pCMV-MAR等质粒,分析这些质粒稳定转染后的表达量和嵌合表达差异。结果发现,UCOE与含增强子元件的oct4启动子组合能较稳定高效表达,而MAR与含CpG岛的sox2启动子组合能较稳定高效表达。利用排除位置效应原因的嵌合表达对染色质高级结构调控基因表达的稳定性分析表明:(1)通常情况下UCOE比MAR调节的表达载体的表达更高效和更稳定;UCOE连接含CpG岛的启动子形成开放染色质调节的高表达更稳定;(2)MAR与启动子上TATA盒或增强子可能通过染色质环产生高表达,但相对不稳定。结论:染色质调节元件UCOE和MAR与启动子调控元件之间能通过染色质开放状态或染色质环调控基因稳定表达。

HOXD基因簇内一系列CTCF位点反转揭示绝缘子功能

CTCF(CCCTC-binding factor)是一种重要的染色质架构蛋白,其与绝缘子的方向性结合在哺乳动物基因组三维空间结构形成和维持中起着至关重要的作用。正向–反向相对方向的CTCF结合位点(简称CTCF位点)可以在染色质黏连蛋白(cohesin)的协助下,形成染色质环,介导远距离DNA元件之间的相互作用;而在染色质拓扑结构域边界区域的CTCF位点呈现反向–正向相背方向分布,发挥绝缘子的功能。为进一步研究CTCF介导染色质环的形成与其绝缘功能之间的关系,本研究采用DNA片段编辑方法通过设计成对sgRNA(dual sgRNA)构建了一系列HOXD基因簇区域CTCF位点反转的单细胞克隆。定量高分辨率染色质构象捕获实验显示边界区域CTCF位点反转会改变原有的染色质环方向,通过环挤出模型(loop extrusion)形成新的染色质环,引起染色质拓扑结构域边界漂移至新形成的一对反向–正向CTCF位点处。此外,串联排列的CTCF位点可以通过阻碍反方向渗透的黏连蛋白继续滑动发挥绝缘子的功能。RNA-seq实验发现CTCF位点反转引起的局部基因组空间结构变化会进一步影响基因的表达。上述研究表明相邻两个染色质拓扑结构域边界区域的反向-正向CTCF位点可以通过与各自所在拓扑结构域内相向的CTCF位点形成染色质环,阻碍黏连蛋白滑动,该发现为进一步研究CTCF的绝缘功能和其对基因组拓扑结构的影响提供了参考。

染色质高级结构——基因组调控的重要形式

真核生物的染色体高度致密,且在细胞核中形成多种构象。近年来发展起来的染色体构象捕获技术及其衍生技术,使得在分子水平上研究染色质结构与功能成为可能。越来越多的证据表明,染色质高级结构的形成并不是随机的,而是参与调控基因表达的一个关键因素。主要介绍基于染色体构象捕获技术发展出的不同技术,并总结目前关于染色质高级结构的特征与功能的知识。

炎症反应下SATB1功能的研究进展

虽然组成人体各个器官和组织的细胞都具有相同的DNA序列,但是却行使着不同的功能,这是由于细胞内的基因差异性表达的结果。真核细胞的DNA被包裹在致密有序的染色质结构中,大约被压缩了10 000倍。DNA复制、转录、修复等生命活动都涉及染色质结构的不断变化。核基质结合蛋白SATB1,通过与BURs特异结合促使染色质与核基质结合形成高级环状结构,进而作为一个基因靶向停靠的平台调控大量基因的表达,促使细胞发生大范围的基因表达改变。在炎症反应中涉及大量相关炎症因子快速高效的表达。着重探讨了SATB1在炎症反应中的功能及其调控机制。

基于原位Hi-C技术对人肝细胞癌细胞系PLC/PRF/5和正常人肝细胞系L02的三维基因组对比测序分析(英文)

肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)的肿瘤发生是基因组突变和表观遗传修饰变化积累的结果,但是HCC发生过程中的三维基因组构造变化仍然缺乏研究。基于此,在人源HCC细胞系PLC/PRF/5和人源正常肝细胞系L02中进行了原位Hi-C分析,并辅以转录组测序以及SMC3/CTCF/H3K27ac的染色质免疫共沉淀测序分析,借此比较两细胞系的三维基因组差异。结果显示,相较于正常肝细胞系,在PLC/PRF/5中发生了显著的染色体结构区域(Compartment)转换、三维拓扑结构域(Topologically associating domains,TAD)滑动和染色质环(Loop)的变化。以上这些染色质空间结构的差异与HCC细胞系中肿瘤特异性基因表达和启动子开放性增高具有相关性。因此,在PLC/PRF/5细胞系中的染色质三维结构差异可能在HCC肿瘤发生的表观遗传学机制中具有重要作用。