2024年7月，發(fā)表在《Nature Communications》的一篇文章“A gene desert required for regulatory control of pleiotropic Shox2 expression and embryonic survival”，聚焦Shox2基因下游的基因沙漠，綜合運(yùn)用多種前沿技術(shù)，揭示了基因沙漠在調(diào)控Shox2基因多效性表達(dá)、胚胎存活及組織發(fā)育中的關(guān)鍵作用。該研究中，ATAC-seq技術(shù)發(fā)揮了重要作用。它通過(guò)檢測(cè)染色質(zhì)的可及性，幫助研究人員篩選出在心臟組織中特異性開(kāi)放的染色質(zhì)區(qū)域，進(jìn)而定位到Shox2基因沙漠中的心臟特異性增強(qiáng)子（+325）。這一發(fā)現(xiàn)不僅明確了基因沙漠中調(diào)控心臟 Shox2表達(dá)的關(guān)鍵元件，也為解析基因沙漠在心臟發(fā)育中的調(diào)控機(jī)制提供了關(guān)鍵線索，推動(dòng)了對(duì)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的認(rèn)知。

研究背景

約四分之一的人類(lèi)基因組由基因沙漠組成，這些區(qū)域沒(méi)有基因，但卻常常位于發(fā)育基因附近，暗示著它們可能參與基因調(diào)控。此前研究表明部分基因沙漠有重要作用，但多數(shù)基因沙漠功能仍不明確。Shox2基因?qū)π∈笈咛グl(fā)育至關(guān)重要，其編碼的轉(zhuǎn)錄因子影響近端肢體、顱面、心臟起搏器等發(fā)育，且人類(lèi)Shox2相關(guān)變異與心臟疾病有關(guān)。本研究聚焦于Shox2基因下游的穩(wěn)定基因沙漠，探究其對(duì)基因表達(dá)調(diào)控及胚胎發(fā)育的作用。

技術(shù)路線

研究結(jié)果

1.研究發(fā)現(xiàn)，基因沙漠中存在多個(gè)具有組織特異性活性的增強(qiáng)子。通過(guò)LacZ轉(zhuǎn)基因報(bào)告分析，這些增強(qiáng)子在肢體、顱面、神經(jīng)和心臟等組織中表現(xiàn)出與Shox2基因表達(dá)模式高度重合的活性。這表明基因沙漠中的增強(qiáng)子在調(diào)控Shox2基因的多效性表達(dá)方面發(fā)揮著重要作用。

圖1. Shox2基因沙漠是組織特異性增強(qiáng)子的樞紐。

2.利用C-HiC對(duì)小鼠胚胎的前肢、下頜骨和心臟組織進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，Shox2基因沙漠形成了具有組織特異性特征的染色質(zhì)環(huán)。在心臟組織中，存在一個(gè)高密度接觸域（HCD），它影響著增強(qiáng)子與啟動(dòng)子之間的相互作用。以Shox2轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)為中心，利用v4C分析它與其他元件的接觸情況，進(jìn)一步揭示增強(qiáng)子與啟動(dòng)子之間的遠(yuǎn)程相互作用。這說(shuō)明染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)在基因調(diào)控中起著關(guān)鍵作用，基因沙漠通過(guò)塑造特定的染色質(zhì)環(huán)來(lái)調(diào)控Shox2基因的表達(dá)。

圖2. 在不同組織中調(diào)控Shox2的3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。

3.研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了基因沙漠缺失的小鼠模型，通過(guò)整體原位雜交（ISH）、qPCR、免疫熒光（IF）、骨骼染色和μCT技術(shù)檢測(cè)基因表達(dá)以及肢體骨骼發(fā)育的情況。結(jié)果顯示基因沙漠缺失導(dǎo)致胚胎致死，心臟竇靜脈（SV）中Shox2轉(zhuǎn)錄本缺失，同時(shí)顱面和近端肢體中Shox2表達(dá)也顯著降低。這直接證明了基因沙漠對(duì)于維持胚胎存活以及調(diào)控Shox2在不同組織中的表達(dá)量至關(guān)重要。

圖3. 基因沙漠缺失減少了肢體和顱面隔室中的Shox2。

4.通過(guò)ATAC-seq與ChIP-seq聯(lián)合分析，研究人員在基因沙漠中鑒定出一個(gè)關(guān)鍵的心臟增強(qiáng)子（+325）。同時(shí)通過(guò)雙熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)增強(qiáng)子與TBX5轉(zhuǎn)錄因子相互作用，維持心臟中Shox2的穩(wěn)定表達(dá)。當(dāng)這個(gè)增強(qiáng)子缺失時(shí)，心臟中Shox2的表達(dá)量下降，進(jìn)一步說(shuō)明了基因沙漠增強(qiáng)子對(duì)心臟Shox2表達(dá)的重要調(diào)控作用。

圖4. 基因沙漠介導(dǎo)的心臟Shox2轉(zhuǎn)錄調(diào)控對(duì)胚胎存活至關(guān)重要。

5.結(jié)合ChIP-seq和4C-seq數(shù)據(jù)分析，并通過(guò)多增強(qiáng)子聯(lián)合缺失實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基因沙漠中包含多個(gè)近端肢體增強(qiáng)子（PLEs），這些增強(qiáng)子在肢體發(fā)育過(guò)程中相互協(xié)作。同時(shí)發(fā)現(xiàn)基因沙漠缺失會(huì)導(dǎo)致肢體骨骼發(fā)育異常，Stylopod（肱骨和股骨）嚴(yán)重縮短。這充分表明基因沙漠在肢體形態(tài)發(fā)生過(guò)程中扮演著重要的角色。

圖5. 增強(qiáng)子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄穩(wěn)定性保護(hù)心臟中的Shox2。

圖6. 基因沙漠編碼了一系列具有亞區(qū)域特異性的分布于近端肢體的增強(qiáng)子（PLEs）。

Shox2基因沙漠是關(guān)鍵的順式調(diào)控區(qū)域，編碼一系列組織特異性增強(qiáng)子，協(xié)調(diào)調(diào)控Stylopod 形成、顱面模式形成和心臟起搏器依賴的胚胎發(fā)育進(jìn)程。其增強(qiáng)子的組織特異性和分布模式，以及染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)理解先天性異常的發(fā)病機(jī)制具有重要意義，為后續(xù)研究提供了理論基礎(chǔ)和方向。