該研究首次揭示了H3K9me3和H3K27ac標記的二價染色質(zhì)對復(fù)合型轉(zhuǎn)座子SVA的協(xié)同調(diào)控機理和生物學(xué)功能，并證明了SVA的RNA依賴性增強子活性及其在造血系統(tǒng)分化和衰老相關(guān)髓系偏好性造血中的重要生理意義，提示其有望成為干預(yù)造血發(fā)育異常和造血衰老的潛在靶標 。百邁客生物為該研究提供了ONT三代測序服務(wù)！

研究背景

二價染色質(zhì)（bivalent chromatin）是指基因組上同時被激活性組蛋白修飾和抑制性組蛋白修飾共同標記的染色質(zhì)區(qū)域。例如，由激活性H3K4me3和抑制性H3K27me3共同標記的二價啟動子（bivalent promoter）；由激活性H3K4me1和抑制性H3K27me3共同標記的靜息態(tài)增強子（poised enhancer）。這兩類二價染色質(zhì)對于譜系基因的表達和譜系分化發(fā)育的精確調(diào)控具有重要作用。然而，人類基因組中是否還有更多類型的二價染色質(zhì)？這些二價染色質(zhì)的調(diào)控機理和生物學(xué)功能是什么？目前尚未得到全面深入的解析。

在人類基因組中，轉(zhuǎn)座元件(transposable elements)占據(jù)了相當大的比例，其功能并非以往所認為的“垃圾DNA”那么簡單。近年來，越來越多的研究表明轉(zhuǎn)座元件在基因調(diào)控和基因組進化中扮演了重要角色。然而，對于靈長類特異性的復(fù)合轉(zhuǎn)座元件(composite transposons)如何通過表觀遺傳調(diào)控機制影響細胞命運決定，仍然知之甚少。

研究內(nèi)容

·復(fù)合轉(zhuǎn)座元件具有獨特的空間雙重染色質(zhì)標記

研究團隊首先通過對K562細胞系的組蛋白修飾ChIP-seq數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)基因組中存在1842個同時具有H3K9me3和H3K27ac修飾的基因座，其中大部分富集在轉(zhuǎn)座元件區(qū)域，特別是SVA、L1、Alu和LTR等轉(zhuǎn)座元件家族。值得注意的是，這些對立的組蛋白修飾并非共存于同一核小體，而是分布在轉(zhuǎn)座元件的不同區(qū)域，形成了獨特的空間雙重染色質(zhì)狀態(tài)。

圖1. 復(fù)合轉(zhuǎn)座元件攜帶空間分離的雙重染色質(zhì)標記

·全基因組CRISPR篩選鑒定SVA調(diào)控因子

為了系統(tǒng)鑒定調(diào)控SVA表達的因子，研究團隊構(gòu)建了SVA-GFP報告系統(tǒng)，通過在K562細胞中進行全基因組CRISPR-Cas9篩選，成功鑒定出161個SVA抑制因子和237個激活因子。這些因子功能多樣，涉及組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和RNA代謝等多個過程。

圖2. 全基因組CRISPR篩選鑒定SVA表達調(diào)控因子

值得注意的是，m6A甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物組分METTL3和METTL14位列抑制因子前列，而著名的造血調(diào)控因子LM02則是最重要的激活因子之一。研究人員通過FACS和RNA-seq驗證了這些因子對內(nèi)源性SVA表達的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)這些調(diào)控具有SVA位點特異性和協(xié)同性。

·LM02和METTL3/14通過拮抗調(diào)控SVA雙重標記

研究團隊深入解析了排名最高的激活因子LM02和抑制因子METTL3/14的調(diào)控機制。研究發(fā)現(xiàn)，LM02與TAL1形成復(fù)合物，結(jié)合在SVA的3’端，招募組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶CBP，促進H3K27ac修飾，從而激活SVA轉(zhuǎn)錄。

圖3. LM02通過招募CBP促進SVA 3’端H3K27ac修飾

另一方面，METTL3/14復(fù)合物通過催化SVA RNA的m6A修飾，招募YTHDC1和SETDB1，促進SVA 5’端的H3K9me3修飾，抑制SVA轉(zhuǎn)錄。這兩條通路相互拮抗，共同維持SVA雙重染色質(zhì)狀態(tài)的動態(tài)平衡。

圖4. METTL3/14通過m6A-YTHDC1-SETDB1通路促進SVA 5’端H3K9me3修飾

·SRNA依賴性增強子功能調(diào)控遠端基因表達

研究團隊發(fā)現(xiàn)SVA的增強子功能嚴格依賴其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA。通過構(gòu)建可誘導(dǎo)的CRISPRa系統(tǒng)，研究人員發(fā)現(xiàn)激活SVA可在約512 kb范圍內(nèi)增強基因表達，并加強SVA與靶基因啟動子之間的染色質(zhì)環(huán)形成。

圖5. SVA通過RNA依賴性機制發(fā)揮增強子功能

最關(guān)鍵的是，使用反義寡核苷酸（ASO）敲低SVA RNA后，盡管DNA序列和局部組蛋白修飾未發(fā)生顯著變化，但其增強子活性大幅減弱，遠端基因表達下降，證明SVA的增強子功能是RNA依賴性的。

·SVA調(diào)控造血分化命運決定

研究團隊發(fā)現(xiàn)SVA在造血分化中扮演重要角色。在K562細胞紅系分化和原代CD34+造血干/祖細胞（HSPCs）的體外紅系分化過程中，SVA表達顯著上調(diào)，LM02結(jié)合和H3K27ac修飾增強，而H3K9me3信號減弱。這些激活的SVA通過形成染色質(zhì)環(huán)，增強SLC4A1等紅系分化關(guān)鍵基因的表達。ASO介導(dǎo)的SVA敲低嚴重損害紅系分化進程。

圖6. SVA激活促進紅系分化相關(guān)基因表達

研究還發(fā)現(xiàn)不同的SVA亞群分別在紅系和巨噬細胞分化中被激活，調(diào)控不同的基因網(wǎng)絡(luò)。在造血干細胞命運抉擇中，SVA表達促進髓系分化而抑制淋巴系分化。在體外雙向分化體系中敲低SVA，導(dǎo)致髓系細胞減少而淋巴系細胞比例增加。

·SVA激活助推衰老相關(guān)髓系偏倚

隨著年齡增長，造血系統(tǒng)逐漸呈現(xiàn)髓系偏倚（Myeloid bias）。本研究發(fā)現(xiàn)，與年輕人相比，老年人來源的HSPCs中SVA上的H3K9me3減少、H3K27ac增加，轉(zhuǎn)錄活性和染色質(zhì)環(huán)強度更高，更強勁地激活髓系基因程序。在老年HSPCs中敲低SVA，能夠部分逆轉(zhuǎn)髓系分化傾向，使造血輸出恢復(fù)平衡。

圖7. 衰老相關(guān)SVA激活導(dǎo)致髓系偏倚

研究總結(jié)

該研究系統(tǒng)揭示了復(fù)合轉(zhuǎn)座元件SVA通過獨特的空間雙重染色質(zhì)標記和RNA依賴性增強子功能，在細胞命運決定中發(fā)揮重要調(diào)控作用。這項研究不僅深化了對轉(zhuǎn)座元件功能多樣性的理解，也為探索發(fā)育、衰老和疾病中的表觀遺傳調(diào)控機制提供了新視角。

值得一提的是，該研究開發(fā)的SVA-GFP報告系統(tǒng)和全基因組篩選策略為研究其他重復(fù)元件的調(diào)控機制提供了有力工具。未來研究可以進一步探索不同SVA亞群的功能特異性，以及這些元件在更多生物學(xué)過程和疾病狀態(tài)中的作用機制。

圖8. SVA通過雙重染色質(zhì)標記和RNA依賴性增強子功能調(diào)控細胞命運的工作模型

以上內(nèi)容來源于綠色生物制造全國重點實驗室，侵刪