Nature:单体型分辨率的表观基因组图

两条同源染色体上的不同等位基因能够影响人类遗传偏好性;然而,它们在人类基因组上的差异程度仍没有被完全探索出来。加州路德维希癌症研究所、清华大学、斯坦福大学等处的研究人员在广泛的人体组织间划定了等位基因染色质修饰和转录组,启用一个跨染色体单体型重建策略。单体型分辨率的表观基因组图谱产生了大量的信息,也揭示了等位基因在染色质和转录组间的偏好性,表现出在不同个体间的组织有显著的变异。该成果发表在2015年2月的《Nature》杂志上。

研究人员通过对四个不同捐赠者的16种人体组织形态完成了CHIP-seq测序,产生的大量数据集表现了6种组蛋白修饰方式。组合了先前发布的数据集,研究人员对28种细胞组织进行了深层次的分析,包括胚胎干细胞,早期胚胎血统和体细胞三种代表所有三个胚芽层的主要组织类型。修饰区分出了活跃的启动子、增强子、转录基因和沉默区域。研究人员通过RFECS算法系统的鉴定了顺式调控元件,预测了292495个增强子,另外鉴定了24462个高度活跃的拥有大量H3K4ME3的增强子,之后研究人员定义了组织限制启动子和增强子。和先前的研究一样,增强子在组织限制中比启动子多,通过聚类形成了家系图谱。而且,组织限制增强子被推测绑定了特定而且已知的维持组织细胞形态和功能鉴定的转录因子。最近的研究表明,特殊的重复元件,比如ERVs,能参与哺乳期的转录调控。

对有代表性的样品,研究人员测试了不同类的ERVs中的组蛋白修饰,结果显示大部分是不活跃的。研究人员还观察到LTR12C亚族在不同组织中拥有丰富的H3K27ac。

试验中,15.2%的强启动子在其他组织中被当作增强子预测到了,和小鼠的观测值相似,在基因内的增强子像启动子一样去产生特殊细胞类型的转录本。具有动态特征的顺式调控元件,比如H3K27ac和H3K4mel的富集以及在肺部显著损耗的H3K4me3.为了确定cREDS是否具有双重功能,研究人员选择了启动子标记元件的子集并根据他们的功能,对胚胎干细胞里的荧光素酶进行了验证,最终这些数据显示动态特征的顺式调控元件在不同类型细胞和微调转录组中具有启动子和增强子的功能。

 

推理等位基因组蛋白修饰和基因表达模式的全局分析可以阐明通过顺式调控元件末端进行的远程基因表达调控机制。为了这个猜想,研究人员使用了HaploSeq技术。从四个不同组织捐赠者中研究人员产生了跨越整个染色体的单体型并且平均达到了99.5%的完整度和78%~89%的分辨率。单体型预测的准确率是根据整合在相同的双端测序reads的SNP得到的。

尽管在基因表达中的等位基因失衡还未被注意到,但是这种现象在不同组织和个体间是否一直,同时潜在的机制依然不确定。研究人员对等位基因偏好表达进行了研究,等位基因上的偏好基因所占比例在不同个体组织中大约是所有特征基因的6%~23%。作为对照,已知的标记基因表明了在多个样品中普遍存在偏好基因。许多基因都是等位基因偏好性表达的现象表明偏好性存在于多个样本中,并且超过75%。这些都表明不同个体序列和等位基因的偏好表达存在联系。

自然的基因突变能影响增强子在哺乳动物细胞里的选择和功能,研究人员假设顺式调控元件序列的多态性是基于普遍的等位基因转录调控的偏好性。因此单独利用187个单体型分辨CHIP-seq数据集对顺式调控元件的状态进行了分析。

假如增强子等位基因失衡确实对等位基因偏好表达有作用,研究人员预期染色质的形态在增强子方面与目标表达相一致。因此,研究人员对14个先前分析的组织样品和额外的6个独立的捐赠者样品生成了另外的覆盖更深和reads更长的H3K27ac CHIP-seq数据集。在等位基因增强子的活动区域,相同的基因型通常会产生相同的碱基偏好方向。研究人员还进一步测试序列的变化和等位基因H3K27ac是否是系统相关的。实验结果表明H3K27ac的偏好和特定的基因型高度相关。实验数据都表明大量的等位基因失衡事件和cis管理元件中的序列变化相关。

研究人员还观察到同一个捐赠者的不同组织样本在增强子的基因表达和H3K27ac中显示出相似的等位基因偏好。但来自不同的的捐赠者的同一个组织类型也出现了不一致性。

许多等位基因偏向促进剂受组织限制。研究人员的理由是通过等位基因增强剂和等位基因表达之间的显著相关证明,基因表达的偏见可能是由于组织限制性促进活动。这些结果支持一个模型即cis管理元件活动的等位基因偏好是等位基因表达的原因。

参考文献:

Integrative analysis of haplotype-resolved epigenomes across human tissues.Nature.2015 Feb 19

作者简介:

张奇伟:清华大学信息学院与医学院双聘教授,清华信息国家实验室合成与系统生物实验室主任,首批千人计划教授。清华973国家重点基础研究发展计划项目《基于新一代测序的生物信息学理论与方法》第三课题组负责人。主要科研领域与方向:计算生物学与生物信息学;合成生物与系统生物学。 Leung D, et al.