导读
人类基因组的三维（three-dimensional, 3D）结构通过多个层面调节了基因表达的精确时空模式。基因调控发生在转录单元内，转录单元则包含在拓扑相关结构域（TAD）。细胞型特异性基因的表达由超级增强子（SE）进一步协调，这种调控区域跨越数十个碱基，对主转录因子（TF）的结合高度富集，并与活性组蛋白标记H3K27Ac共定位。
在过去的十年里，数以百万计的人类基因组变异已经被发现。其中，视网膜疾病的全基因组关联研究（GWAS）主要在基因组非编码区域确定了常见变异。但由于先导变异区域的局部连锁不平衡（LD），阻碍了特定因果关系基因和变异的识别，因此关联信号的生物学相关性一直难以评估。要阐明与性状相关的遗传变异如何影响调控景观，进而影响表型，需要了解相关组织和细胞类型的3D基因组拓扑结构。
近日，来自美国NIH国家眼科研究所的研究团队在Nature Communications发表了题为“High-resolution genome topology of human retina uncovers super enhancer-promoter interactions at tissue-specific and multifactorial disease loci”的文章。研究团队通过Hi-C技术绘制了人类视网膜细胞染色质结构图谱，并将得到的视网膜基因组调控网络与通过GWAS识别的老年性黄斑变性（AMD）和青光眼相关的数量性状基因座 （quantitativetraitloci, QTL）和遗传变异相结合。对调控3D基因组结构的分析有助于更好地理解人类视网膜表型的遗传控制，由此得到的全面基因调控网络也可为研究基因表达的一般调控以及视网膜功能的调控提供深刻的见解，包括罕见和常见眼病。
文章发表在Nature Communications
研究人员结合人类视网膜中染色质可及性和组蛋白标记对染色质接触进行了深度测序，经过严格的质控和生物信息学分析解析了远端调控元件与其同源启动子区接触的详细信息。研究人员将染色质拓扑图与视网膜基因和调节元件的数据集进行整合分析。结果显示，随着时间的推移，人类视网膜染色质内部相互作用的动态图像，包括基因活动热点和与DNA其他区域有着不同程度的绝缘。
图1. 高分辨率Hi-C技术识别人类视网膜染色质结构，来源：Nature Communications
随后，研究团队在视网膜基因中发现了不同的相互作用模式，表明染色质的3D结构在组织特异性基因调控中发挥重要作用，可以利用这种调控结构来描述组织特异性基因组调控，并通过调控元件和染色质环确定eQTL变体和基因之间的联系。
此外，小鼠和人类染色质组织之间的相似性表明了跨物种的守恒，强调了染色质组织模式与视网膜基因调控的相关性。例如，超过三分之一（35.7%）的基因对在小鼠体内通过染色质环相互作用，在人类视网膜中也是如此。
图2. 视网膜染色质相互作用的组织特异性和保守性，来源：Nature Communications
SE的TAD内定位与靶基因的边界绝缘和生物学功能有关
进一步研究发现，大多数SE与杆状细胞基因有关，反映了人类视网膜样本中杆状细胞的优势。研究还证明了SE靶基因的生物学功能可能与TAD中的SE定位以及TAD边界绝缘有关。值得注意的是，SE本身大多与位点的相互作用非常接近，表明在局部、次TAD水平上有很强的绝缘性，可能是由于CTCF结合的富集和避免附近基因的随机激活，这与之前的研究一致。
图3. SEs在TAD内的定位与TADs的生物学特征有关，来源：Nature Communications
基因组拓扑结构将目标基因与AMD和青光眼相关的风险变异进行关联
关于青光眼和AMD的GWAS研究已经确定了大量的非编码变异，包括eQTL分析在内的其他研究提供了进一步见解，但许多相关位点的因果基因和变异仍然难以捉摸。研究人员将染色质拓扑图与从GWAS研究中识别的遗传变异数据进行了整合，并对带有GWAS先导和LD变体的成人视网膜基因组拓扑结构进行了综合分析，发现了几个先前未知的可能与青光眼和AMD有关的基因。
例如，研究展示了一个显著的远程相互作用导致目标基因变化的青光眼相关基因TFAP2B/PKHD1。此外，小鼠中TFAP2B表达的中断导致与青光眼一致的强烈病理表型，这些发现指向了与这些疾病相关的特定候选致病基因。研究团队发现了AMD的候选致病基因，在CTRB2/CTRB1位点建立了CFDP1作为AMD相关的候选基因。
图4. AMD和青光眼变异基因通过视网膜染色质环与靶基因作用，来源：Nature Communications
研究团队通过将高分辨率Hi-C数据与表观遗传图谱和顺式调控元件整合，为人类视网膜研究提供了一个重要的数据资源，促进了基因组调控的研究。研究团队识别了视网膜病变中缺失的遗传性，以及包括AMD和青光眼在内的常见致盲疾病的候选因果基因和变异，该研究为将调控变异与视网膜疾病表型联系起来提供了一个框架。整合的基因组调控图谱还将有助于评估其他常见视网膜相关疾病（如糖尿病视网膜病变）的相关基因，并了解遗传性视网膜疾病的基因型-表型相关性。
文章通讯作者Anand Swaroop教授表示：“这是视网膜调控基因组拓扑结构与AMD和青光眼相关遗传变异的首次详细整合。拥有如此高分辨率的基因组结构图像，将继续为组织特异性功能的基因控制提供更加深入的见解。”
Claire Marchal et al, High-resolution genome topology of human retina uncovers super enhancer-promoter interactions at tissue-specific and multifactorial disease loci, Nature Communications （2022）.
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