Nature丨细胞类型特异性染色质拓扑结构与染色质“融化”指数

染色质的三维结构与基因调控以及细胞功能相关。现有的方法是基于染色体构象捕获的方法对神经系统比如体外分化的神经元或者通过荧光激活的细胞分选技术分离出的神经元细胞进行染色质结构绘制【1,2】。然而，这种方法并不能捕捉到成像技术所能捕捉到的染色质组织结构变化。

近日，德国柏林医学系统生物学研究所Ana Pombo研究组与Warren Winick-Ng（第一作者）合作在Nature上发表文章Cell-type specialization is encoded by specific chromatin topologies，通过开发免疫基因组结构图谱绘制（immunoGAM，immuno genome architecture mapping）的方法，在对动物组织不进行破坏情况下对特定脑区细胞类型的3D染色质结构进行刻画，发现脑细胞中染色质的高度特异性构象与基因调控机制和特殊功能密切相关。

为了探索基因组折叠与细胞特化的关系，作者们将免疫基因组结构图谱绘制技术immunoGAM应用于小鼠脑组织切片，分析了三种不同功能的细胞类型（图1）。这三种细胞分别是位于躯体感觉皮层的少突胶质细胞OLGs（Oligodendroglia）、海马CA1区椎体谷氨酸能神经元PGNs（Pyramidal glutamatergic neurons）以及中脑腹侧被盖区的多巴胺能神经元DNs。其中少突胶质细胞对于髓鞘以及神经环路形成非常关键，椎体谷氨酸能神经元负责时空记忆的形成和巩固，而多巴胺能神经元则参与线索指导的、奖赏依赖的学习行为。同时，作者们将已经在预印本上公开的小鼠胚胎干细胞GAM数据作为参考【3】。

图1 对小鼠大脑切片中三种不同功能的细胞类型进行immunoGAM分析

在基因组提取之前，作者们利用免疫荧光技术和细胞标记抗体从脑组织切片中选择细胞类型，随后进行质量控制和检测，使用绝缘平方方法计算局部相互作用密度和拓扑域，并使用主成分分析方法计算与开放染色质区域A区室以及和异染色质 区室的分布和组成（图1）。首先为了验证immunoGAM技术的有效性，作者们使用了对Pcdh基因位点进行了检测（图1）。Pcdh基因位点包括三组细胞粘附相关的基因Pcdha、Pcdhb以及Pcdhg，并且占据两个拓扑结构域（Topologically associating domains，TADs）。在先前的研究中发现OLGs中Pcdha与Pcdhb高表达，也发现了与OLGs中高表达的其他基因之间的远程相互作用。因此，作者们的工作发现immunoGAM技术的确可以用于在特定脑细胞种类中揭示近距离和远距离的基因组三维染色质结构的重排过程。

进一步地，为了对细胞类型特异性的三维拓扑结构与基因表达以及染色质可及性之间的相关性进行检测，作者们对小鼠胚胎干细胞、皮层、海马区以及中脑区进行了scRNA-seq或者是ATAC-seq，并对已有的一些数据库进行了分析。通过对细胞类型的等价分析，作者们建立了能够进行将RNA-seq与ATAC-seq进行比对的数据库。从这些数据库中，作者们发现在不同的细胞类型中TADs会出现广泛的重排。另外，与小鼠胚胎干细胞相比，脑区的不同细胞类型会出现显著的绝缘现象，说明在终末分化过程中会出现染色质结构的稳定。

在PGNs以及DNs中，出现了染色质的重新组织，凝缩的染色质区域会出现解聚的现象，这很像是多线染色体或者串联的基因阵列解聚的样子，作者们将该现象称为“Melting”，也就是染色质的“融化”现象。那么全基因组范围内不同细胞类型中染色质“融化”的景观是如何的呢？为了以一种无偏向性的方式进行检测，作者们建立了一个pipeline称为MELTRON，可以对小鼠胚胎干细胞以及脑区细胞基因组范围“融化”指数（Melting score）进行定义，定义方式是通过累加所有长基因之间隔离间隔的积累概率。作者们发现“融化”的基因转录水平明显高于非“融化”的长基因，同时染色质可及性也明显高于非“融化”长基因。因此，该结果说明长基因的广泛“融化”与拓扑结构约束的解除有关。

随后为了进一步理解长基因中“融化”这一过程，作者们引入了多聚物物理模型手段【4】，可以对小鼠胚胎干细胞以及脑区细胞染色质三维结构进行模拟（图2）。作者们发现在脑区细胞中“融化”结构域具有更高的延展性以及更大的回旋半径。另外，通过构建该长基因区域多聚体模型中的转录起始区域、中间区域以及转录终止区域的探针（图2），作者们进行了冷冻切片原位杂交实验，发现脑区细胞中转录起始区域与转录终止区域之间的距离与小鼠胚胎干细胞相比出现了显著的增加，并且作者们也发现“融化”现象通常与染色体内和染色体间接触的变化有关。

图2 多聚物物理模型模拟染色质三维结构的“融化”模型

总的来说，作者们通过构建新的基因组三维结构建立的技术immunoGAM对不同脑区不同细胞类型的全基因组染色质结构图谱进行了构建，揭开了细胞类型特化过程染色质结构中长基因出现的“融化”现象，揭示了脑细胞中高度特异性的染色质构象与基因调控机制和特殊功能之间的关系。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04081-2

制版人：十一

参考文献

1 Beagrie, R. A. et al. Complex multi-enhancer contacts captured by genome architecture mapping. Nature 543, 519-524, doi:10.1038/nature21411 (2017).

2 Quinodoz, S. A. et al. Higher-Order Inter-chromosomal Hubs Shape 3D Genome Organization in the Nucleus. Cell 174, 744-757.e724, doi:10.1016/j.cell.2018.05.024 (2018).

3 Beagrie, R. A. et al. Multiplex-GAM: genome-wide identification of chromatin contacts yields insights not captured by Hi-C. 2020.2007.2031.230284, doi:10.1101/2020.07.31.230284 %J bioRxiv (2021).

4 Bianco, S. et al. Polymer physics predicts the effects of structural variants on chromatin architecture. Nature genetics 50, 662-667, doi:10.1038/s41588-018-0098-8 (2018).