生信分析文章:比对染色质互作网络解析SOX2对神经干细胞干性维持的作用

联系电话:020-85625352

Email:servers@gzscbio.com



Mapping the Global Chromatin Connectivity Network for SOX2 Function in Neural Stem Cell Maintenance

摘要

    SOX2是一种维持未分化的胚胎干细胞(ESC)、神经干细胞再生能力及细胞干性的重要转录因子。在人类中,SOX2基因发生突变会导致显性遗传的神经系统疾病,如海马病变、癫痫和学习障碍等;在小鼠中SOX2基因突变也会导致相似的疾病发生。作者为了确定SOX2在小鼠神经干细胞(NSC)中转录调控作用模式,搜集了3种不同品牌的RNA聚合酶Ⅱ(pol II)抗体在野生型小鼠和SOX2敲除小鼠神经干细胞中所产生的ChIA-PET数据结果,联合SOX2的ChIP-seq数据,以及H3K27ac、H3K4me1的ChIP-seq数据,发现SOX2主要通过远程调控启动子与增强子间的互作来调控靶基因的表达。比对数据结果显示,在SOX2敲除小鼠中的神经干细胞中,启动子与远端增强子的互作能力比正常小鼠弱,SOX2的靶基因表达水平也下降。随后,作者选取了SOX2的靶基因SOCS3,在敲除的SOX2的神经干细胞中过表达SOCS3。NSC的生长能力和富集能力得到部分恢复。因此作者提出在NSC中,SOX2主要通过调节启动子与远端增强子的互作来调控靶基因的表达。


 image.png

                                              





一、     SOX2敲除导致在神经干细胞中远程互作减少

作者为了确定神经干细胞中SOX2对转录的调控作用,  分析了不同品牌的RNA聚合酶Ⅱ(pol II)抗体在野生型小鼠NSC(wTR1、wTR2 、wTR3)和SOX2敲除小鼠NSC(mTR1、mTR2、mTR3)中所产生的ChIA-PET数据结果,鉴定了RNA pol II在启动子结合位点和远程互作位点(图1b)。统计分析发现,在SOX2敲除组(mut)中,无论是启动子结合位点还是远程互作位点都比野生组(wt)少(图1b)。同时,ChIA-PET结果显示在敲除SOX2后,多个基因的启动子的远程互作减少(图1C-G)。这些数据表明,SOX2主要通过调控基因启动子的远程互作来调控基因表达。

https://image.ipaiban.com/upload-ueditor-image-20200304-1583307265865029590.png

 




二、     SOX2主要结合在增强子区域

为了进一步确定SOX2对转录的调控作用,根据SOX2-ChIP-seq结果把结合位点分为TSS结合点与远程结合点,并分别于H3K27ac+和H3K4me1+的ChIP-seq结果进行比较(图2a,2b)。H3K27ac+是转录激活的标志蛋白,主要标示启动子与增强子的位置。H3K4me1+也是转录激活标志蛋白,主要标示增强子位置。结果发现SOX2的结合位点主要在远程增强子的位置。(图2b)。然后作者把远程互作模式分为三类:启动子与远程启动子区域互作模式(P-P)、启动子与远程区域互作模式(P-e)、非启动子间互作模式,比较发现pol II介导的远程结合模式主要以p-p或p-e为主,约占90%(图2c)。然后联合SOX2-ChIP-seq结果发现SOX2的结合位点主要在p-e模式中(图2d)。最后, SOX2的ChIP-seq数据,以及H3K27ac、H3K4me1的ChIP-seq,3种不同品牌的RNA聚合酶Ⅱ(pol II)抗体的ChIA-PET结果联合分析,显示SOX2的结合位点主要在远程增强子区域。

image.png

 





三、     SOX2结合远程增强子调控与脑部发育相关基因

在野生型小鼠NSC和SOX2敲除小鼠中,联合pol II的ChIA-PET结果与SOX-2-ChIP-seq结果分析SOX2对下游靶基因的调控模式,结果显示,SOX2在靶基因的远程区域有许多结合位点,SOX2的敲除对靶基因的远程互作有明显的抑制作用。因此SOX2主要通过调控基因远程结合区域来调控基因表达。

image.png






四、验证SOX2远端结合区域是否是增强子

作者为了确定这些远程结合位点是否具有增强子的作用,将SOX2远程结合位点(即远程增强子(DA))构建到荧光载体的启动子前,并把这些荧光载体导入斑马鱼神经干细胞中,验证SOX2的结合位点是否是增强子(图4)。结果SOX2远程结合区域均能检测到绿色荧光信号,这说明这样远程的结合位点具有增强子的作用。

image.png






五、与SOX2通过远程互作模式对转录水平进行调控

对NSC细胞内整体的RNA转录水平进行RNA-seq分析发现,敲除SOX2后,细胞整体RNA转录水平和具有远程协作调控的相关RNA转录水平下降(图5a)。当基因启动子与越多的增强子有互作时,基因的表达量越高(图5b)。接下来作者比较wt(野生型小鼠)与mut(SOX2敲除型小鼠)神经干细胞之间的基因表达差异,发现大多数基因在wt组中的表达比mut中的高(图5c)。SOX2敲除,总体基因表达水平下降。然后对这些基因根据结合模式进行分组比较表达差异(图5d),结果显示差异表达基因主要是以P-E模式(启动子与远程增强子互作模式)互作。综上所述,在NSC中,SOX2通过远程互作模式对转录水平进行调控。

image.png

 





六、SOX2敲除细胞系中过表达Socs3能恢复NSC生长活性

SOCS3基因一种JAK/STAT信号传导抑制因子,它能抵抗NSC早熟分化为星形胶质细胞,同时也是SOX2的一个靶基因。RNA pol II的ChIA-PET结果与SOX2-ChIP-seq结果联合分析显示,SOX2在SOCS3基因的启动子及远程互作区域有集合位点,SOX2通过远程互作调控SOCS3基因的表达(图6a)。作者在SOX2敲除的神经干细胞中过表达SOCS3,细胞的生长能力得到恢复(图6b、6c)。

image.png

    综上所述,SOX2主要通过介导染色质远程增强子与靶基因启动子相互作用,对靶基因转录水平进行调控。

 

文献来源:Bertolini JA, Favaro R, Zhu Y et al. Mapping the Global Chromatin Connectivity Network for SOX2 Function in Neural Stem Cell Maintenance. Cell Stem Cell. 2019 Mar 7;24(3):462-476.e6. doi: 10.1016/j.stem.2019.02.004.


 





 



最新表观生信分析: