细胞转分化过程中染色质高级结构的动态变化及其调控机制

Higher-order chromatin structure is the three-dimension genome organization which plays important roles in genome functions such as transcription and replication. Cell transdifferentiation has become a powerful tool to study cell fate change. However, the underlying mechanisms how cells overcome chromatin barriers, how key transcription factors induce the dynamic changes of epigenetic modifications and higher-order chromatin structure, remain largely unknown. In this project, we plan to study the dynamic change of higher-order chromatin structure and its function role in regulating cell fate conversion during the direct hepatic lineage conversion process. We will dissect the dynamics of higher-order chromatin structure, transcriptome, epigenetic modifications, chromatin accessibility and binding of key transcription factors in the process. This project is aiming to further understand the molecular mechanisms how key transcription factors activate cell type specific enhancers, establish chromatin interactions between enhancers and target genes and activate cell type specific transcription program. In addition, this project will provide help to improve the efficiency of cell transdifferentiation.

染色质的高级结构是基因组在三维空间中的有序组织结构，对于基因组的转录、复制等生物学功能有着重要的调控作用。细胞转分化过程是起始细胞在外源转录因子诱导下，直接转变为其他细胞类型的过程。在这一过程中，细胞需要克服原有染色质的结构屏障，染色质的表观遗传修饰以及高级结构都会发生剧烈的动态变化，而这些变化对于靶细胞特异基因转录程序的激活有着重要影响。本项目拟研究小鼠成纤维细胞在诱导转分化为功能肝细胞（iHep）过程中染色质高级结构的动态变化及其对细胞转分化过程的调控功能。本研究将绘制这一过程中不同时间点染色质高级结构图谱，结合多种表观遗传修饰和转录因子结合位点的ChIP-seq数据以及转录组数据，系统性研究转分化过程中染色质高级结构变化规律、细胞特异性基因增强子激活转录的分子机制。这不仅有助于理解染色质高级结构对于基因转录的调控功能，对于进一步提高细胞转分化效率也会提供理论依据。

本项目通过转录因子 Foxa3, Gata4 和 Hnf1a 诱导的小鼠成纤维细胞肝向转分化过程，研究染色质高级结构对细胞命运决定的作用。利用Hi-C、ChIP-seq、ATAC-seq以及RNA-seq等多组学技术与计算生物学整合分析，我们发现了一个特有的染色质结构变化单位 compartment switchable regions (CSRs)。具体来说，B-to-A CSRs 定位在成纤维细胞的非活性染色质区域，富集肝脏相关基因，在成纤维细胞中具有预先存在和连续开放的染色质结构特征。转录因子 Foxa3 能够结合在预先存在的连续开放的染色质上，从而触发表观遗传激活、染色质相互作用以及肝脏基因表达。值得注意的是，这些变化被限制在具有CTCF 结合的 B-to-A CSRs 边界内。此外，这种染色质组织结构可在不同的细胞类型转分化体系中检测到，对于多种重编程过程具有普遍性的调控作用。综上所述，本项目有助于理解细胞可塑性方面染色质结构内在属性的贡献，对染色质高级结构在细胞命运转换的调控作用有更为深入的理解。