干细胞分化过程中细胞染色质高级结构开放区域图谱的绘制及其基因调控机制的研究

During embryonic stem cell (ESC) programming and reprogramming, higher-order chromatin structures within the living nucleus appear to be re-organized in a condensed hierarchical manner extended from a loose, dynamic and open structure, which is regulated by epigenetic mechanisms. However, it is still unclear how chromatin organizes into these complicated higher-order structures in nucleus. In this project, we are going to establish Partial-X-MNase-seq, a new approach to investigate the open regions of genome-wide chromatin higher-order organization in nucleus and their dynamic changes during ES cell programming and reprogramming, in order to illuminate the molecular mechanisms of epigenetic regulation of the hierarchical organization of chromatin in stem cells and their related biological function in cell fate determination.

在干细胞编程和重编程过程中，基因组染色质在表观遗传调控因素作用下，从比较松散、动态和开放的结构，重新组织形成疏密程度各异的多级染色质高级结构。目前对这些复杂染色质高级结构的结构特征和生物学功能的认识仍然十分有限。本项目将围绕染色质高级结构和细胞命运决定的表观遗传调控这一核心问题，建立绘制染色质高级结构开放区域图谱的新实验方法——部分酶切法（Partial-X-MNase-seq），从全基因组水平上研究上述过程中染色质高级结构开放区域图谱的动态变化，为阐明细胞内各种染色质高级结构调控基因表达及其在细胞命运决定中的生物学功能奠定基础。

细胞染色质高级结构的动态变化影响发育和分化所必需基因的表达，在细胞命运的决定和维持中起着关键作用。在小鼠胚胎干细胞（mES）中，有活跃性组蛋白修饰与抑制性组蛋白修饰共同存在的染色质，我们称为平衡态染色质（ poised chromatin state）。平衡态染色质与细胞多能性的维持紧密相关。然而，平衡染色质的结构特征很难被标记识别出来。我们设计了一系列逐渐增加时间梯度的酶切反应，对细胞核中的染色质进行微球核酸酶（MNase）酶切，然后富集被切割下的染色质DNA进行测序的方案，发现mES细胞中的结构致密程度低的染色质可以分为两类，一类位于更开放的区域，对应于一个活性状态，另一组富含二价组蛋白修饰，即活跃性组蛋白修饰与抑制性组蛋白修饰，我们定义该类染色质为平衡状态染色质。根据启动子区酶切测序信号的动态变化，我们进一步引入了一个参数-表达潜力因子（EPI）来量化转录潜能。EPI的应用有效地预测了基因的激活潜能，更重要的是揭示了小鼠神经前体细胞（NPC）分化所必需的一些新的发育调控因子。