中大新聞?dòng)崳ㄍㄓ崋T歐陽(yáng)宏）角膜緣干細(xì)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(dòng)物成體干細(xì)胞的命運(yùn)決定、可塑性、功能和特性主要由染色質(zhì)的表觀(guān)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(xì)胞的染色體通過(guò)特定的方式進(jìn)行有序組裝，最終形成染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)。三維基因組為基因的時(shí)空表達(dá)調(diào)控奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，與組織發(fā)育、細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變、癌癥等密切相關(guān)。中山大學(xué)中山眼科中心歐陽(yáng)宏教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(guān)。
2021年，中山大學(xué)中山眼科中心歐陽(yáng)宏團(tuán)隊(duì)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(lèi)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(jí)增強(qiáng)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(yùn)。然而，核心轉(zhuǎn)錄因子及表觀(guān)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(yáng)宏團(tuán)隊(duì)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(jìn)一步結(jié)合表觀(guān)基因組、轉(zhuǎn)錄組、轉(zhuǎn)錄因子/CTCF/SMC1結(jié)合圖譜，通過(guò)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(guān)遺傳特征，鑒定了超級(jí)增強(qiáng)子（SE）和超級(jí)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(jī)制，闡明了影響LSC功能和特性的染色質(zhì)三維調(diào)控景觀(guān)。
圖1. 研究流程模式圖
研究人員首先通過(guò)Hi-C數(shù)據(jù)在LSC中鑒定了A/B compartment、TAD和chromatin loop，并進(jìn)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(yáng)性的激活啟動(dòng)子之間會(huì)相互作用形成P-P loop結(jié)構(gòu)。有趣的是，形成loop的兩個(gè)啟動(dòng)子對(duì)應(yīng)基因的表達(dá)水平存在顯著差異，其中一個(gè)promoter高表達(dá)，而另一個(gè)則低表達(dá)或不表達(dá)。由此推測(cè)，P-P loop中低表達(dá)或不表達(dá)的H3K4me3陽(yáng)性啟動(dòng)子此時(shí)可能扮演了增強(qiáng)子的角色。
研究人員將富含H3K27me3和H3K9me2的區(qū)域定義為超級(jí)沉默子。超級(jí)沉默子具有細(xì)胞特異性，更傾向于與同類(lèi)型的轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)域互作。與普通沉默子相比，超級(jí)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(jí)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(xì)胞癌等。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，正常LSC中的超級(jí)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(xì)胞癌致癌基因等均被超級(jí)沉默子抑制。有趣的是，這些疾病基因的啟動(dòng)子是H3K4me3/H3K27me3陽(yáng)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(jí)沉默子抑制的同時(shí)還與遠(yuǎn)端的超級(jí)增強(qiáng)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(guān)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖2. LSC中的超級(jí)沉默子抑制角膜疾病相關(guān)基因的表達(dá)
該研究進(jìn)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(huì)與多個(gè)啟動(dòng)子互作，部分啟動(dòng)子也會(huì)與多個(gè)SE互作，一些SE通過(guò)與啟動(dòng)互作的SE相互作用間接調(diào)控基因表達(dá)，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(tuán)隊(duì)進(jìn)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(jī)制。
圖3. 編碼在LSC多層級(jí)基因組結(jié)構(gòu)中的三維調(diào)控景觀(guān)
中山大學(xué)中山眼科中心、眼科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yáng)宏和劉奕志兩位教授是本論文的通訊作者。
