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三维基因组学经典好文：lhx2-和ldb1的反式相互作用调节嗅觉受体的选择
文章来源：genecreate
作者：genecreate
发布时间：2019-02-28 08:59
题目：lhx2- and ldb1-mediated trans interactions regulate olfactory receptor choice
lhx2-和ldb1的反式相互作用调节嗅觉受体的选择
期刊：nature
影响因子：41.577
主要技术：hi-c、chip-seq、rna-seq
研究背景
我们的鼻子可以帮助我们感知到玫瑰花香、茉莉花香等各种不同的味道，是什么保证了我们能拥有这嗅觉了？哥伦比亚大学的研究人员借助hi-c基因组测序技术，首次在哺乳动物的细胞核内发现一种巧妙的三维重排机制。
文章思路
名词解释：
小鼠嗅觉感受器（ors）（olfactory receptors）
成熟嗅觉神经元（mosn）（mature olfactory sensory neuron）
嗅觉神经元（osn）（olfactory sensory neuron）
主嗅上皮（moe）（main olfactory epithelium）
荧光活化细胞（fac）（fluorescence-activated cell）
总峰分析（apa）（aggregate peak analysis）
水平基底细胞（hbcs）（horizontal basal cells）
直接神经元前体（inps）（immediate neuronal precursors）
细菌假染色体（bac）bacterial artificial chromosome
研究内容及结果
1. 反式分隔来源于osn分化
首先，作者分析了荧光活化细胞（fac）分化的成熟嗅觉神经元（mosns），它代表了有丝分裂后的神经元的最终分化，其被视为小鼠嗅觉感受器（or）的异质性。在成熟嗅觉神经元的原位hi-c结果中显示了广泛的染色体间相互作用，相当于hi-c总接触的35.6%，其与之前的成像结果一致。放大的基因组视图显示，在or基因簇与中间的or簇之间存在很强的osn-specific反式接触，有大约7.5%的hi-c接触点从不同的染色体映射到or簇（图1a,b）。聚合峰分析(apa)和无偏室预测证实大多数or簇参与or选择性多染色体的组装（图1b），值得注意的是，在mosns中，or簇间的反式接触仅占所有染色体间接触的0.25%，但在1000个最强的反式hi-c接触中占50%。在分化程度更高的直接神经元前体(inps)中，反式or接触丰富，但比在mosns少；顺式or簇间的相互作用程度与mosns一致。因此，or基因间隔以分层的方式形成，顺式接触首先出现，反式作用随着分化而加强。
or隔间内，63常染色质的greek islands代表hi-c“hotspots”中特殊和频繁的顺式和反式接触（图1d，e）。在inps中，每个细胞中有多个or基因被弱转录。虽greek islands之间相互作用，但在mosns中缺乏焦点接触分布。分化增强和反式交互规范化是大多数greek islands的特性(图1 f, g)。总而言之，在mosns中，greek island hi-c接触点中4.5%与其他greek island有接触，其中一半为反式（图1f）。值得注意的是，这超过了greek islands顺式长交互中lhx2和ebf共结合基因间序列的平均和累积频率(图1g)。
图1 osn分化过程中，greek islands之间形成的染色体间接触与or基因簇间接触以及局部染色体间接触
2. greek islands促进区域划分
为了系统的剖析greek island的相互作用，作者探讨了这些增强子核心序列的作用。在mosns的原位hi-c中， islands h（2kb）、lipsi（1kb）和sfaktiria （0.6 kb）的纯合子缺失，在包含这些缺失的基因组bins和剩余的greek islands之间反式相互作用减少，这种效应延伸至较宽的基因组距离（图2a-c）。值得注意的是，积累的反式greek island接触减少与在细胞中观察到的or基因的转录下调相关图2c)。小至0.6 kb的dna在数百个碱基上协调基因组接触，类似于zip元素影响酵母菌或igk增强子的核定位，从而影响了pre-b细胞中免疫球蛋白位点的定位。三重增强子删除对集群的影响表明，这些额外的序列参与or集群之间的交互。
图2 greek islands增强子缺失对集群的影响
3. 蛋白质的区域化调节
接下来，作者研究了greek-island-bound结合转录因子在ors区隔中的作用，在水平基底细胞（hbcs）中删除lhx2，然后用甲基咪唑诱导这些细胞分化，以tdtomato强度为标记，鉴定了细胞群体，其中最暗的是由hbc-衍生的inps和mosns组成。荧光活化细胞fac-sorted的rna测序（rna-seq）结果显示，lhx2的早期缺失导致嗅觉神经元（osn）谱系发育迟缓，inp-特异性标志物增多。考虑到分化缺陷和可能的细胞标识变化，fac-sorted细胞反式or和反式 greek island 接触明显减少(图3a-d)。在早期的lhx2敲除细胞中，染色体间相互作用的频率仍然很高，但在1000个最强的反式接触中or-or接触仅占16%。在mosns中lhx2的晚期缺失也减少了反式or接触，但没有早期缺失多(图3a, c)。lhx2的缺失使greek islands之间的反式接触和远距离顺式接触减少(图3b, d)，与or下调相一致。
为了了解lhx2是如何稳定的与greek island接触的，作者研究了lhx2（lim区域蛋白)是否招募了边缘结合蛋白(ldb1)。作者对ldb1进行的染色质免疫沉淀和测序(chip-seq)，发现mosns与lhx2峰有密切重叠。与此一致的是，每个greek island都以lhx2-dependent的方式被ldb1绑定。在mosns中删除ldb1，导致反式greek island和远距离顺式greek island相互作用的强烈减少(图4a, b)，or集群之间反式交互减少，在全基因组中效应更弱。值得注意的是，rna-seq显示ldb1的缺失导致ors广泛的转录下调(图4c)，其可能受限于or家族（图4d）。
图3 lhx2是greek island中心形成or分隔以及装配和稳定的基础
图4 ldb1是greek island中心稳定和or转录的基础
4. greek island中心与活跃的or基因有关
为了检测greek island中心是否通过与or基因直接相互作用调节or转录，作者在or基因 olfr16、olfr17和olfr1507进行了原位hi-c实验。在这些osn种群中，整体or集群网络与greek island的相互作用在很大程度上是相同的，但也观察到osn类型特异性变异。然而，在每一种osn类型中，转录活跃的or始终与greek islands形成频繁的相互作用。例如，在olfr16+ osns中，olfr16位点与greek islands的顺式长交互和反式相互作用强烈，5%的hi-c接触点映射到olfr16。在olfr17+osns和olfr1507+ osns中，它主要与附近的greek islands相互作用(图5a, b)。值得注意的是，在olfr16+细胞中，相对于完整的or谱，greek island上的联系在olfr16位点得到额外的加强(图5b， 5c)。因此，通过基因与greek islands的累积相互作用，原位hi-c可以准确地从近1000个基因中识别到转录活跃的or。
图5 greek island中心与or特异性转录活性位点的相互作用
文章小结
本文作者利用原位hi-c、rna-seq等技术，发现小鼠嗅觉感受器or基因间隔以分层的方式形成，顺式接触首先出现，反式作用随着分化而加强。or隔间内的greek islands增强子的缺失对集群之间的交互有影响，转录因子lhx2的缺失使greek islands之间的反式接触和远距离顺式接触减少，并发现边缘结合蛋白ldb1是greek island中心稳定和or转录的基础。最后通过原位hi-c实验，发现greek island中心通过与or基因直接相互作用调节or转录。
解析文献
kevin monahan, adan horta, et al. lhx2- and ldb1-mediated trans interactions regulate olfactory receptor choice [j]. nature, 2019, 565 , 448–453.
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