猪肝脏超级增强子的筛选及其远程调控解析

Super-enhancer efficiently recruits key transcription factors to activate the transcription of target genes through long distance chromatin interaction. The lacking of knowledge in super-enhancer limits the understanding of gene transcription regulatory mechanisms and its application potentials in the area of animal husbandry. In this project, we will screen and verify development related super-enhancers in pig liver, reveal their target genes and analysis their functions during liver development. Using the liver of 70-day-old sows, we will firstly apply ChIP-seq method to screen genome-wide active enhancers based on histone markers; then select super-enhancers based on their binding strength with development related key transcription factor C/EBPβ and verify their basic enhancer functions; finally, use 4C method to detect chromatin interaction profiles of super-enhancers in pig liver before and after birth and compare the results with corresponding transcriptome data to confirm the regulatory effect of super-enhancers. This research will open a new perspective for 3D genomics study in animal husbandry area, provide important supplements for transcriptional regulation and the verified super-enhancers will be of great potential in livestock molecular breeding practice.husbandry area, provide important supplements for transcriptional regulation and the verified super-enhancers will be of great potential in livestock production.

超级增强子能高效招募关键转录因子，通过远程染色质互作的方式批量调控靶基因表达，是远程染色质互作的基础和三维基因组学主要的研究对象。畜牧学领域超级增强子研究存在空缺，限制了对基因表达调控的认知及其在生产中的应用。本课题拟对猪肝脏发育特异性超级增强子进行筛选和验证，并分析其结合的靶基因簇在猪肝脏发育中的作用。选择70日龄母猪肝脏，采用ChIP-seq方法，首先依据活性增强子相关的组蛋白标记在全基因组层面得出猪肝脏细胞中的活性增强子；其次依据肝脏发育关键转录因子C/EBPβ蛋白的结合强度进一步选取超级增强子，并验证其基本功能；最后采用4C方法，以超级增强子为出发点，检测其在猪出生前、后肝脏中的靶基因簇，并对比相应转录组数据，从靶基因簇功能出发解析超级增强子的作用。此研究将为家畜三维基因组学研究打开新视角，为基因转录调控研究提供重要补充，筛选出的超级增强子在分子育种实践中具有极大应用潜力。

三维基因组学是表观遗传学领域倍受关注的新方向，超级增强子及其介导的远程染色质互作机制已被广泛应用于发育生物学、肿瘤等疾病发生的机理研究中，是近年来基因表达调控研究的新热点。本项目以猪为研究对象，以肝脏关键转录因子C/EBPβ为出发点，首次在猪全基因组层面筛选肝脏超级增强子，并探索出生前、后与超级增强子互作的位点和相关基因差异，结合出生前、后基因转录水平，分析了超级增强子的调控功能，并首次在个体层面对超级增强子的品种间、组织间特异性进行了分析。研究内容主要包括三个部分：1）猪肝脏增强子筛选及结合转录因子C/EBPβ进行的超级增强子筛选；2）超级增强子基本特征和功能研究；3）超级增强子介导的染色质互作在猪发育过程中的功能验证。我们首先以新鲜猪肝脏为材料，基于C/EBPβ、H3K4me1和H3K27ac三种抗体，用Cut&Tag技术完成了建库、测序、分析和缝合增强子/超级增强子的组装工作。其次，我们通过对超级增强子和其他顺式作用元件的染色体分布、基因结构分布、转录因子结合位点/SNP/QTL的分布分析、总结了超级增强子的分布和结构特征；通过对超级增强子相关基因功能进行分析和对比，总结超级增强子的调控功能。此外，我们对不同猪种、不同物种的肝脏超级增强子，以及不同组织之间的超级增强子特征进行了比较和分析，明确了超级增强子的组织特异性和在物种和品系间的差异性。最后，我们以IGF1基因相关的超级增强子区域为对象，通过4C方法建库测序，并分析出生前、后肝脏不同发育阶段超级增强子在全基因组范围内参与的远程染色质互作位点变化。此外，通过对比不同发育时期猪肝脏转录组及超级增强子相关基因列表，验证了超级增强子在发育过程中的转录调控功能。本研究明确了超级增强子的分布和结构特征，阐明了猪肝脏以染色质互作为基础的超级增强子调控机制，揭示了超级增强子在选育过程中的变移情况，为超级增强子在动物疾病机理研究、品种选育和改良中的应用提供了有力参考。