基于染色质结构动态变化的基因转录潜能的预测与分析

In eukaryotic cells, the genomic DNA is hierarchically compacted by histones into chromatin. The dynamics of chromatin structures not only affect the storage and reading of genetic information, but also play an important role in gene transcription, DNA replication and DNA repair. In addition, the dynamic changes of chromatin structures can also affect the cell fate through regulating gene expression during cell differentiation and development. However, the molecular mechanisms underlying how the dynamics of chromatin structures regulates gene transcription or determines gene transcription potential remain not clear. Recently, a number of methods have developed to analyze the chromatin structure or accessibility，while none of them is enable of measuring quantitatively the dynamic changes of the chromatin structure. Therefore, the exact correlation between dynamics of chromatin structure and gene transcriptional activity or potential is still far beyond research. In this proposal, we aim to develop a novel protocol of MNase digestion and computational method to analyze quantitatively the dynamics of chromatin structure. Employing this novel approach, we are going to study the correlation between the dynamics of chromatin structures and gene transcriptional activity or potential during cell fate transition, which will provide detail molecular mechanisms how the chromatin dynamics involves in cell fate determination via modulating gene transcriptional activity or potential during development or in diseases.

在真核细胞内，染色质由DNA缠绕组蛋白经过层级压缩折叠形成，染色质结构的变化对于基因表达、DNA复制及DNA损伤修复等都具有重要的调控作用。细胞分化发育过程通常伴随着染色质结构的改变，这种变化会通过调控基因转录水平来影响细胞的命运。但是，染色质结构的动态变化在基因转录过程中具体的调控功能和作用机制还不甚清楚。现有的研究因无法将染色质结构动态变化进行定量分析，故而不能很好地揭示两者之间的联系。我们的研究将依据不同结构状态的染色质对于核酸酶酶切敏感性不同的特性，设计时间梯度酶切的MNase-seq实验，并开发针对性的分析方法，进行染色质结构状态的定量分析，进而结合基因表达水平的动态变化，研究染色质结构影响基因转录活性和潜能的机制，为进一步揭示染色质结构动态变化在细胞命运决定中的功能提供一定的研究基础，并期待能为将来研究病变细胞中因染色质的异常变化引发基因表达紊乱的机理提供一个新的研究思路。

真核细胞内，染色质由DNA缠绕组蛋白经过层级压缩折叠形成。染色质结构具有高度的动态性和可塑性，这种特性在基因转录沉默和激活过程中起重要作用，使得特定的染色质结构决定了特定的基因转录谱和转录模式，从而决定细胞的组织特异性和细胞命运。在哺乳动物胚胎干细胞中存在一种特殊的染色质状态——bivalent,它既存在开放染色质的表观遗传标记（H3K4me3）,又富含紧密染色质的表观遗传标记（H3K27me3）。前期的研究表明bivalent染色质处于一种静息状态，能够对信号刺激产生快速反应，调控应激基因以及发育相关基因的表达，因此bivalent domain 在细胞的应激反应以及干细胞分化过程中具有极其重要的作用。但是目前对bivalent domain的染色质结构特征仍然尚不清楚。早期的研究主要利用MNase对染色质进行充分酶切消化研究核小体定位信息，也有通过改变MNase的浓度对开放染色质开展的研究，但是单个时间点的酶切结果会遗失很多信息，而且容易受酶浓度和酶切条件的影响，导致结果重复性较差，因此我们建立一种新的方法——低浓度MNase时间梯度酶切（Time Course reduced-MNase digestion, TC-rMNase-seq）对局部开放区域染色质结构特征进行研究。利用上述的方法和相应的计算分析，发现小鼠胚胎干细胞中的低致密染色质可以分为两类，一类处于开放区域，对应活跃状态，另一类同时富含二种组蛋白修饰，被认为是静息状态。基于基因启动子区染色质对MNase酶切的动态变化，我们进一步设计了染色质开放潜力指数（COPI）来量化基因的转录潜能。COPI的使用可以有效地预测基因激活潜能，并鉴定了一些对小鼠神经祖细胞（NPC）分化至关重要的发育基因。在这个项目中我们通过研究胚胎干细胞中低致密染色质的不同特征，并通过定量分析发育和分化过程中的局部染色质状态，为精确预测基因转录潜力提供了一个有效的工具。