基于组织原位3D基因组技术解析猪骨骼肌生长调控分子机制

It’s an important mission to research on the patterns of gene regulations in the matter of dissecting gene functions in the post-genomics era. There are numerous successful cases using 3D genome technologies which definitely elucidate the roles of remote regulatory elements or factors in human and mice genomes. However, it has not yet started in swine genome. This study, on the basis of in-situ tissue separation of porcine skeletal muscle which continue and extend the previous project supported by NSFC, will deploy series 3D genome technologies like ChIA-PET system to investigate the genome-wide 3D chromatin conformations of transcriptional factor RNAPII, conformational factor CTCF and myogenesis transcript factors MyoD/MyoG, and fundamentally characterize the regulatory patterns of skeletal muscle growth in swine. Also, interactions between remote regulatory elements and genes will be verified by CRISPR/Cas9 system in porcine muscular satellite cells. This study integrates several data sources from gene expression, epi-genomics and remote interactions to build 3D genome networks which connect chromatin conformations and muscle growth trait in swine. This work will contribute to clarify the basic 3D genomic properties and the pattern of remote regulations in the growth of porcine skeletal muscles, and will be further beneficial on refining regulatory mechanisms between 3D genome and skeletal muscle growth in swine, and provide potential clues for discovering novel regulatory mechanism and patterns of porcine skeletal muscle development.

研究基因的调控模式是后基因组时代解析分子机制的重要内容。在人和小鼠上采用3D基因组技术研究调控因子/元件的远程调控模式已大获成功，但在猪上的研究却还未起步。本项目延续并扩展前一个NSFC项目内容，在组织原位采样基础上，通过以ChIA-PET系统为主的3D基因组技术，对转录元件RNAPII、构象蛋白CTCF和转录因子MyoD/MyoG的结合位点进行全基因组空间调控模式分析，研究猪骨骼肌生长调控的基本特点和分子机制，并通过CRISPR/Cas9系统在肌卫星细胞中鉴定远程调控位点。从组织原位到基因组构象，通过对基因表达、表观修饰和远程互作的研究，构建3D基因组网络图谱，阐述基因组空间构象与猪骨骼肌生长调控间的内在联系。以期初步阐明猪骨骼肌生长调控的3D基因组基本特征和远程调控模式。为进一步研究猪骨骼肌生长发育的精细调控机制奠定基础，从而为深入研究猪骨骼肌生长发育的调控机制和模式提供理论支持。

国家基金项目（31772563）：“基于组织原位3D基因组技术解析猪骨骼肌生长调控分子机制”，由华中农业大学曹建华副教授承担，共有6名人员参加。课题执行时间为2018年1月至2021年12，共4年，项目总投入经费61万元。. 本项目采集猪背最长肌样品，在组织原位水平上通过以ChIA-PET系统为主的3D基因组技术，对转录元件RNAPII、构象蛋白CTCF和转录因子MyoD/MyoG的结合位点进行全基因组空间调控模式分析，研究猪骨骼肌生长调控的基本特点和分子机制，鉴定染色质远程调控位点。从组织原位到基因组构象，通过对基因表达、表观修饰和远程互作的研究，构建3D基因组网络图谱，阐述基因组空间构象与猪骨骼肌生长调控间的内在联系。以期初步阐明猪骨骼肌生长调控的3D基因组基本特征和远程调控模式。为进一步研究猪骨骼肌生长发育的精细调控机制奠定基础，为研究猪骨骼肌生长发育的调控机制和模式提供理论支持。. 根据项目的研究内容和计划完成了研究内容，研究结果包括：1）猪骨骼肌组织前处理方法取得阶段性突破，并申报了发明专利；2）完成了猪骨骼组织原位的Hi-C、ChIA-PET等三维基因组研究内容，建立猪骨骼肌三维基因组研究方法；3）完成了猪骨骼肌全基因组转录测序和表观基因组表征；4）建立了猪增强子发现与验证的细胞研究体系；5）比较了猪骨骼肌组织与其他组织的三维结构保守性；6）构建了猪基因组CRISPR/Cas9的质粒载体，达到预期验证远程调控位点的目的；7）持续研发了三维基因组大数据可视化系统，使其能够更好适应三维基因组研究的需要。.综上所述，通过本项目的执行，在组织原位初步揭示了猪骨骼肌生长发育的远程调控机制，从而为深入研究猪骨骼肌生长发育的分子机制和发育模式提供理论支持。项目按照计划执行，撰写发表论文6篇，专利5项，培养研究生5人。今年完成所有目标并结题，完成了所有任务，无计划和内容上的重大调整。