中大新聞訊（通訊員歐陽宏）角膜緣干細胞（limbal stem cell，LSC）位于角膜與結(jié)膜交界處的角膜緣區(qū)域，在角膜上皮穩(wěn)態(tài)維持、角膜透明性和完整性中發(fā)揮關(guān)鍵作用。哺乳動物成體干細胞的命運決定、可塑性、功能和特性主要由染色質(zhì)的表觀遺傳結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)決定。這些轉(zhuǎn)錄調(diào)控信息又編碼在染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)中。真核細胞的染色體通過特定的方式進行有序組裝，最終形成染色體高級結(jié)構(gòu)。三維基因組為基因的時空表達調(diào)控奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，與組織發(fā)育、細胞命運轉(zhuǎn)變、癌癥等密切相關(guān)。中山大學(xué)中山眼科中心歐陽宏教授團隊通過研究，發(fā)現(xiàn)了影響LSC功能和特性的染色質(zhì)三維調(diào)控景觀。
2021年，中山大學(xué)中山眼科中心歐陽宏團隊在Nature communications上發(fā)表題為“Core transcription regulatory circuitry orchestrates corneal epithelial homeostasis”的研究論文，首次繪制了人類LSC的組蛋白修飾（H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3、H3K27me3）和染色質(zhì)可及性圖譜，構(gòu)建了基于超級增強子與轉(zhuǎn)錄因子相互作用的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)RUNX1、PAX6和SMAD3（RPS）形成的core transcription regulatory circuitry（CRC）決定了LSC的命運。然而，核心轉(zhuǎn)錄因子及表觀遺傳信息是如何偶聯(lián)三維基因組調(diào)控LSC功能和特性仍然未知。
2022年3月11日，歐陽宏團隊在Nature communications上發(fā)表了研究論文 “Comprehensive 3D epigenomic maps define limbal stem/progenitor cell function and identity”。 該研究借助Hi-C技術(shù)獲得了LSC的高分辨率染色質(zhì)三維互作圖譜，揭示了LSC的染色體三維組裝，包括A/B compartments、topologically associating domains (TADs)、chromatin loops。并進一步結(jié)合表觀基因組、轉(zhuǎn)錄組、轉(zhuǎn)錄因子/CTCF/SMC1結(jié)合圖譜，通過多組學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，解析了染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的表觀遺傳特征，鑒定了超級增強子（SE）和超級沉默子的互作網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的三維調(diào)控機制，闡明了影響LSC功能和特性的染色質(zhì)三維調(diào)控景觀。
圖1. 研究流程模式圖
研究人員首先通過Hi-C數(shù)據(jù)在LSC中鑒定了A/B compartment、TAD和chromatin loop，并進一步揭示激活（H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3）和抑制（H3K27me3、H3K9me2）的組蛋白修飾在三維空間結(jié)構(gòu)上分布規(guī)律。特別地，一部分H3K4me3陽性的激活啟動子之間會相互作用形成P-P loop結(jié)構(gòu)。有趣的是，形成loop的兩個啟動子對應(yīng)基因的表達水平存在顯著差異，其中一個promoter高表達，而另一個則低表達或不表達。由此推測，P-P loop中低表達或不表達的H3K4me3陽性啟動子此時可能扮演了增強子的角色。
研究人員將富含H3K27me3和H3K9me2的區(qū)域定義為超級沉默子。超級沉默子具有細胞特異性，更傾向于與同類型的轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)域互作。與普通沉默子相比，超級沉默子是一段更大的區(qū)域，但是具有更低的互作頻率。超級沉默子覆蓋或互作的基因都展示了轉(zhuǎn)錄抑制。在病理狀態(tài)下，角膜組織的臨床表現(xiàn)包括炎癥、血管入侵、角質(zhì)化、角膜結(jié)膜化、鱗狀細胞癌等。進一步研究發(fā)現(xiàn)，正常LSC中的超級沉默子覆蓋和互作的基因與眼發(fā)育、角膜上皮分化、免疫激活、血管生成、角質(zhì)化等相關(guān)。特別地，在正常LSC中，結(jié)膜上皮基因、干眼癥關(guān)鍵基因MMP9和鱗狀細胞癌致癌基因等均被超級沉默子抑制。有趣的是，這些疾病基因的啟動子是H3K4me3/H3K27me3陽性的bivalent狀態(tài)，處于準(zhǔn)備激活狀態(tài)。此外，原癌基因SOX2和皮膚上皮基因KRT1在被超級沉默子抑制的同時還與遠端的超級增強子相互作用，形成active-inactive pairwise contacts，為轉(zhuǎn)錄激活做好了準(zhǔn)備。因此，該研究揭示了疾病基因被抑制和激活的染色質(zhì)三維表觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖2. LSC中的超級沉默子抑制角膜疾病相關(guān)基因的表達
該研究進一步繪制了由SE-SE和SE-P loop形成的互作網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)部分SE會與多個啟動子互作，部分啟動子也會與多個SE互作，一些SE通過與啟動互作的SE相互作用間接調(diào)控基因表達，形成了SE interaction hub。SE介導(dǎo)的互作loop限制在CTCF/cohesin-CTCF/cohesion 建立的insulated neighborhoods當(dāng)中。綜上，團隊進一步構(gòu)建了p63/RPS介導(dǎo)的SE-P互作網(wǎng)絡(luò)，揭示了關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的三維調(diào)控機制。
圖3. 編碼在LSC多層級基因組結(jié)構(gòu)中的三維調(diào)控景觀
中山大學(xué)中山眼科中心、眼科學(xué)國家重點實驗室為本論文第一作者單位。李名森副研究員為本論文的第一作者，歐陽宏和劉奕志兩位教授是本論文的通訊作者。
