Cell Death Differ︱杨铁林团队揭示染色质三维结构与表观重塑促进干细胞命运转变

撰文︱郝若涵 

责编︱方以一，王思珍

编辑︱方以一

间充质干细胞（human mesenchymal stem cells，hMSCs）是一类多能干细胞，在再生医学领域具有极高的应用价值。hMSCs可以定向分化为脂肪细胞和成骨细胞，对机体内脂肪和骨组织的更新补充具有直接影响。hMSCs的成脂、成骨分化过程处于相互协调的平衡状态。研究hMSCs的成脂成骨分化过程有助于揭示调控干细胞命运决定过程的关键因素。三维基因组学的兴起加深了我们对细胞分化调控过程的理解[1-2]。hMSCs向脂肪或成骨细胞分化过程中伴随着基因的选择性表达，最终导致细胞命运的转变。然而其中染色质三维结构所扮演的角色目前尚不清楚。

2022年7月29日，西安交通大学生命学院生物医学信息与基因组学中心杨铁林教授团队在Cell Death & Differentiation上发表了题为“Lineage-specific rearrangement of chromatin loops and epigenomic features during adipocytes and osteoblasts commitment”的研究。该研究构建了hMSCs向脂肪与成骨细胞分化的高分辨率染色质三维结构与表观遗传动态图谱，揭示了hMSCs在向脂肪、成骨细胞分化过程中的三维基因组与表观遗传修饰的动态景观，表明了这一动态变化在促进干细胞命运转变过程中发挥着重要作用，为理解hMSCs的命运决定过程提供了新的思路。

研究者对诱导hMSCs成脂、成骨分化前后的细胞分别进行了三维基因组Hi-C、转录组RNA-seq、表观遗传组ChIP-seq和ATAC-seq检测。研究首先分析绘制了分化前后的高分辨率染色质三维互作图谱（2 kb），并鉴定出精细的染色质环（chromatin loop）结构。进一步分析得到不同分化过程中形成的特异性loop结构（图1A-C）。随后研究者通过对loop anchor区进行不同维度的注释及富集分析发现，这些分化特异性的loop结构显著富集了激活型的调控元件，指示这些环结构可能参与了基因表达的选择性激活过程（图1D-G）。

图1 hMSCs成脂成骨分化过程中的特异性染色质环结构

（图源：Hao RH et al., Cell Death Differ, 2022）

为了进一步探究分化特异性loop的形成是否与基因激活相关，研究者通过分析转录组数据，鉴定出成脂/成骨分化特异表达的基因。研究发现，位于特异性loop结构内或周围染色质三维结构变化剧烈的基因更倾向于被特异性激活（图2B-C）。分化特异性基因与特异性loop结构之间具有相对较近的物理距离，其中距离在40kb之内的基因显著富集于成脂/成骨分化相关通路中（图2D-F）。这些结果表明，hMSCs成脂成骨分化过程中形成的特异性loop结构与分化相关基因的激活有关。

图2 分化特异性染色质环的形成伴随着基因的特异性激活

（图源：Hao RH et al., Cell Death Differ, 2022）

以往研究指示，染色质折叠形成三维结构可促进远距离增强子与靶基因的相互作用，进而发挥转录激活功能[3-4]。接下来研究者深入探究了在hMSCs分化对应的染色质结构重塑过程中，是否伴随着“增强子-靶基因”互作的动态变化。研究首先通过组蛋白修饰ChIP-seq数据鉴定出增强子区域，并筛选出细胞特异性增强子。经分析发现，含有增强子的loop结构普遍具有更强的染色质互作信号（图3A），且特异性增强子倾向于富集在特异性loop结构内（图3B-C）。随后根据特异性增强子相对特异性基因的位置，研究者提出了四种增强子参与基因激活的调控模式。其中通过特异性loop结构与远距离增强子相互作用的基因显著富集于成脂/成骨分化相关通路中（图3D）。此外，这些特异性loop内的基因存在显著共表达现象（图3E-F）。以上结果提示，染色质三维结构的变化伴随着增强子的重塑，这一过程与分化相关基因的激活有关。

图3 分化特异性染色质环的形成伴随着特异性增强子的重塑

（图源：Hao RH et al., Cell Death Differ, 2022）

开放的染色质是增强子发挥基因调控功能的关键条件。因此，该研究进一步探究了hMSCs命运决定过程中染色质可及性的动态变化情况。首先通过将ATAC-seq数据与ChIP-seq、Hi-C、RNA-seq整合分析发现，染色质开放域与增强子信号存在共定位现象，且伴随着更强的三维互作和基因转录信号（图4A, B）。随后研究者通过转录因子印记分析，横向比较了不同细胞中转录因子富集情况，并鉴定出了分化特异性转录因子及其对应的染色质开放域（图4C）。进一步研究发现，这些特异性转录因子开放域倾向于富集在特异性loop中，具有更强的三维互作效应（图4D, E）。这些结果表明，成脂/成骨分化过程中，染色质三维结构的动态改变与特定转录因子的激活有关。

图4 染色质三维结构的动态变化与转录因子的激活有关

（图源：Hao RH et al., Cell Death Differ, 2022）

基于以上发现，研究者随后整合不同层面的分化特异性特征，构建了hMSCs命运决定性基因调控网络。该网络综合了染色质三维结构与表观修饰等调控因素，鉴定出了可能在hMSCs命运决定过程中发挥重要作用的关键基因与转录因子。为了进一步探究调控网络的可靠性，研究者开展了功能实验，分别对分化相关基因IRS2和RUNX2的调控环路进行验证。首先3C实验验证了在分化后的脂肪、成骨细胞以及前脂肪和U2OS细胞系中均发现了特异性loop结构（图5A, B），而hMSCs中则未检测到相关染色质互作。当利用CRISPR/Cas9破坏环结构后，IRS2与RUNX2的表达显著下调（图5C-F）。此外，当抑制调控环路中的转录因子表达时，IRS2与RUNX2的表达同样显著降低（图5G, H），且染色质三维互作也被抑制（图5I, J）。至此可以绘制出影响IRS2与RUNX2表达的调控模式图（图5K）。

图5 功能实验验证基因调控环路

（图源：Hao RH et al., Cell Death Differ, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上，该研究对间充质干细胞（hMSCs）成脂与成骨分化过程中的三维基因组、转录组、组蛋白修饰以及染色质可及性进行了全面的分析对比。结果表明，分化特异性染色质环的形成伴随着增强子的特异性激活以及转录因子的特异性结合。这一过程影响最终基因表达的选择性激活。该研究还构建了分化特异性调控网络，鉴定了细胞命运决定性调控环路，并结合功能实验验证了调控环路对基因表达的影响。该工作揭示了hMSCs在向脂肪、成骨细胞分化过程中的三维基因组与表观遗传修饰的动态景观，表明了这一动态变化在促进干细胞命运转变过程中发挥着重要作用，为理解hMSCs的命运决定过程提供了新的思路。该研究同时指示了多个之前未被报道的可能参与hMSCs定向分化的关键基因，这些基因的具体调控机制还需进一步研究证明。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41418-022-01035-7 

西安交通大学生命学院郝若涵助理教授、郭燕教授、王晨博士生为该论文的共同第一作者，杨铁林教授为通讯作者，西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室和生命学院为该论文的第一和通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

通讯作者：杨铁林

（照片提供自：西安交通大学生命学院杨铁林团队）

通讯作者简介：（上下滑动阅读）  

杨铁林，西安交通大学教授，博士生导师。入选国家级青年人才，陕西省杰出青年科学基金获得者，陕西省科技创新团队带头人。长期致力于整合多组学数据寻找疾病标志物、解析发病机制并寻找新的药物靶点。以第一/通讯作者在Nature Reviews Endocrinology、Nature Human Behavior、Microbiome、Genome Med、Am J Hum Genet等高水平杂志发表论文45篇，包括中科院一区 24 篇（3篇IF > 20，15篇IF > 10），1 篇通讯作者论文入选 ESI 热点论文，3篇入选 ESI 高被引论文。H因子28。先后荣获王宽诚育才奖、“陕西省高等学校科学技术研究优秀成果特等奖”（第一完成人）、“中国百篇最具影响国际学术论文”等荣誉。

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参考文献（上下滑动阅读） 

[1] Bonev B, Mendelson Cohen N, Szabo Q, Fritsch L, Papadopoulos GL, Lubling Y, et al. Multiscale 3D genome rewiring during mouse neural development. Cell 2017;171:557–72.e24.

[2] Greenwald WW, Li H, Benaglio P, Jakubosky D, Matsui H, Schmitt A, et al. Subtle changes in chromatin loop contact propensity are associated with differential gene regulation and expression. Nat Commun. 2019;10:1054

[3] Siersbaek R, Madsen JGS, Javierre BM, Nielsen R, Bagge EK, Cairns J, et al. Dynamic rewiring of promoter-anchored chromatin loops during adipocyte differentiation. Mol Cell. 2017;66:420–35.e5.

[4] Rubin AJ, Barajas BC, Furlan-Magaril M, Lopez-Pajares V, Mumbach MR, Howard I, et al. Lineage-specific dynamic and pre-established enhancer-promoter contacts cooperate in terminal differentiation. Nat Genet. 2017;49:1522–8.

本文完