Nature子刊：CRISPR發(fā)現(xiàn)表觀遺傳對染色體的影響

*本研究所使用的靶向表觀基因組編輯技術(shù)由賽業(yè)生物提供

染色質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)會(huì)隨著細(xì)胞的生活周期而變化，對我們?nèi)梭w的健康和疾病發(fā)生產(chǎn)生重要的影響。近年來隨著新技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)折疊讓一些DNA片段彼此靠近并發(fā)生互作，他們將這樣的區(qū)域稱為拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域TAD。大腦中TAD結(jié)構(gòu)與神經(jīng)精神疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)息息相關(guān)，但這一研究領(lǐng)域仍存在許多未解之謎。

來自西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院(ISMMS)的一組研究人員發(fā)表了題為“The methyltransferase SETDB1 regulates a large neuronspecific topological chromatin domain”的文章，通過細(xì)胞類型特異性3D基因組圖譜，靶向表觀基因組編輯（由賽業(yè)生物提供）等技術(shù)手段，識別出了一種能幫助基因組免受CTCF過度結(jié)合的SETDB1依賴性“盾牌”，細(xì)胞如果丟失這個(gè)“盾牌”，就會(huì)窗戶下獨(dú)特的位點(diǎn)特異性表觀遺傳漏洞，導(dǎo)致兆級規(guī)模的高階染色質(zhì)崩塌（chromatin collapse）。

這一研究成果公布在Nature Genetics雜志上，由西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院精神病學(xué)家Schahram Akbarian領(lǐng)導(dǎo)完成。這位學(xué)者曾參與研究指出，在不同的大腦區(qū)域，甲基化的模式存在差異，這意味著表觀遺傳學(xué)因素參與了大腦功能的形成與劃分。這些甲基化模式在不同種族、年齡或性別的人群中都得到了證明。

TADs是什么？

人類基因組包含大約20,000個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。令人驚訝的是，只有一毫米長的秀麗隱桿線蟲（C.elegans），擁有幾乎跟人類相同數(shù)量的基因，但卻與人類的生物復(fù)雜性不同。這是因?yàn)槿祟惸軌蚋�好地發(fā)揮其遺傳潛力，首先通過修改基因產(chǎn)物，其次通過使用具有不同功能的相同基因。延伸閱讀：PLOS：線蟲發(fā)育時(shí)序的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。

這需要高度的調(diào)控，因?yàn)樯眢w的每個(gè)細(xì)胞都含有相同的遺傳信息�？茖W(xué)家估計(jì)，人類基因組中大約有40%致力于基因調(diào)控。然而，目前尚不清楚它是如何確�！澳膫�(gè)調(diào)控因子影響——或不影響哪個(gè)基因”。TADs——拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域，在這方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用：TAD是DNA片段，在其中DNA形成了包含組蛋白、調(diào)節(jié)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子的大型三維結(jié)構(gòu)。每個(gè)TAD包含一個(gè)或多個(gè)基因連同其所有的調(diào)控元件。它們的結(jié)構(gòu)在進(jìn)化上是保守的，可能存在于不同的細(xì)胞類型以及各種物種中。哺乳動(dòng)物基因組在細(xì)胞核中形成了許多megabase級的拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域TAD。破壞TAD會(huì)影響長距離基因調(diào)控，引起致病性的表型。舉例來說，破壞TAD結(jié)構(gòu)的DNA刪除、倒置或者重復(fù)能夠?qū)е氯祟愔�體畸形。

研究表明，大腦中也存在TAD結(jié)構(gòu)，并且神經(jīng)精神疾病風(fēng)險(xiǎn)的全基因組關(guān)聯(lián)研究表明TAD與大腦相關(guān)疾病存在一定的關(guān)聯(lián)，但是具體的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。

在這篇文章中，研究人員發(fā)現(xiàn)一組superTADs亞集的神經(jīng)元維護(hù)需要SETDB1（也被稱為ESET或KMT1E），這是一種組蛋白H3 Lys9甲基轉(zhuǎn)移酶。研究表明Setdb1（Kmt1e）能廣泛調(diào)控干細(xì)胞中的逆向元件抑制（retroelement suppression）和轉(zhuǎn)錄沉默。研究人員通過細(xì)胞類型特異性3D基因組圖譜，靶向表觀基因組編輯等技術(shù)手段，識別出了一種能幫助基因組免受CTCF過度結(jié)合的SETDB1依賴性“盾牌”，細(xì)胞如果丟失這個(gè)“盾牌”，就會(huì)窗戶下獨(dú)特的位點(diǎn)特異性表觀遺傳漏洞，導(dǎo)致兆級規(guī)模的高階染色質(zhì)崩塌（chromatin collapse）。

靶向表觀基因組編輯

研究人員為了了解SETDB1的甲基化水平對CTCF結(jié)合位點(diǎn)的影響，通過靶向表觀基因組編輯分析了cPcdh位點(diǎn)，他們采用的是一個(gè)叫做SunTag的技術(shù)。SunTag實(shí)質(zhì)上是一套分子掛鉤，其能夠?qū)⒍鄠�(gè)拷貝的生物活性分子掛到可用來靶向一些基因或其他的分子的蛋白質(zhì)支架上。相比于沒有這些掛鉤的組裝分子，整合了SunTag的分子生物活性顯著放大。

整合了SunTag的CRISPR分子可用于精確地控制基因組內(nèi)大量基因的表達(dá)，研究人員利用這一技術(shù)發(fā)現(xiàn)SETDB1依賴的環(huán)結(jié)構(gòu)可以繞過0.2-1 Mb線性基因組，并從TADcPcdh條紋輻射到cPcdh基因座內(nèi)的順式調(diào)控序列，抵消較短范圍的啟動(dòng)子-增強(qiáng)子接觸造成的影響。

研究表明SETDB1抑制復(fù)合物包含了多個(gè)KRAB鋅指蛋白，能保護(hù)神經(jīng)元基因組免受過量CTCF結(jié)合的影響，并且對于TADcPcdh的結(jié)構(gòu)維持至關(guān)重要。

下一步，研究人員將分析神經(jīng)元中Setdb1的過量表達(dá)，以及其它的cPcdh基因表達(dá)的調(diào)控蛋白的丟失是否會(huì)啟動(dòng)神經(jīng)元中的TAD特異性3D基因組改變。

我們?nèi)梭w的每個(gè)染色體都有數(shù)以百計(jì)的TAD結(jié)構(gòu)，分析“TAD通過TAD”，以及通過細(xì)胞類型特異性方式揭示腦細(xì)胞中高階染色質(zhì)的調(diào)控機(jī)制，是一項(xiàng)令人興奮，且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

原文標(biāo)題：

The methyltransferase SETDB1 regulates a large neuronspecific topological chromatin domain.Received 3 February;accepted 5 June;published online 3 July 2017;doi:10.1038/ng.3906