干细胞分化时染色质重组情况详解.docx

干细胞分化时的染色质重组情况 Jesse R. Dixon1,2*, Inkyung Jung1*, Siddarth Selvaraj1,3*, Yin Shen1, Jessica E.Antosiewicz-Bourget4, Ah Young Lee1, Zhen Ye1,Audrey Kim1, Nisha Rajagopal1, Wei Xie5, Yarui Diao1, Jing Liang6, Huimin Zhao6, Victor V. Lobanenkov7, Joseph R. Ecker8,James A. Thomson4,9,10 Bing Ren1,11 高阶染色质结构正成为一个新兴的基因表达的重要调节器。虽然染色质的动态结构已经确定在基因组上，其在哺乳动物发展的完整的染色质动态结构范围和谱系规格还有待确定。通过在人类胚胎干细胞和四个人类干细胞导出谱系定位全基因组染色质，在谱系我们发现广泛染色质重组现象。我们观察到，尽管自缔合染色质域在分化期是稳定的，染色质在域间和域内的间显著的相互作用，改变了36%基因组内活跃或不活跃的染色体。通过单倍体解决染色质相互作用定位图和转录组数据集，我们发现多数的等位基因表达与等位基因偏倚染色质的启动子和增强子有关。我们的研究结果提供了一个全局视图的染色质动态和研究不同人类细胞谱系中远程控制的研究资源。 三维基因组织越来越被认为是一个基因表达的重要监管结构[1-4]。最近高通量的染色质结构研究已经开始能阐明我们基因组的全局组织[4-10]。例如，最近我们和其他研究者发现间期染色体可以分为若干兆基大小的拓扑域和较小的子域（也称为拓扑关联域或TADs）[6-9]。这些TADs形成更高层次的结构像“A”和“B”隔室[5,6]。这些“A”和“B”隔室与基因组的其他功能密切相关，如早起或晚期DNA复制时间和核板关联[11,12]。尽管有这些研究，我们还不能完全了解人类细胞的染色质动态结构和它对细胞身份的影响。这里我们分析了H1型人类干细胞和四个人类干细胞谱系的全基因组高价染色质，中内胚层（ME)，间充质干细胞（MS),神经组细胞（NP)和类滋养细胞（TB)[13]。这些谱系代表早期发育胚外和胚内在表观基因组图谱13中已经具有各自特点，在每个13,14的谱系中已经具有含mRNA-seq, 13-24组氨酸修饰的ChIP-seq, base-resolution methylC-seq和DNaseI高敏(DHS) 的数据集。同样的，这些实验系统提供了一个用潜在的基因表达和染色质表达方式来和高价染色质可变性进行比较的机会。此外，用一个新的方法来逐步定位高分辨染色率染色体跨度阶段的等位基因Lauren捕获数据（Hi-C）[15]，我们逐步定位H1基因组来分析等位基因特异性活动和染色质结构。据我们所知，这是目前为止高价染色质结构，等位基因特异性染色质结构和状态，和等位基因特异性基因表达相关的最全面的数据集的分析。 数据生成和分析 我们在H1型人类干细胞和每个四个人类型谱系中的两种生物重复进行了Hi-C实验5，生成了一个完整的3.85千万的独特阅读对（补充表1）。我们规范化Hi-C数据16的固有偏差，用许多指标证实我们Hi-Cdata高重现性和准确性数据（扩展数据图1a-b，补充信息表2）。 广泛的A/B室开关 Hi-C相互作用地图提供了多个层次的基因组织[4]。先前的研究证明了基因组组织被划分为A和B隔室，其中包含相对活跃和不活跃的部分[5,11]。目前，A和B隔室在分化时的改变和它们如何与谱系紧密相关的机制还不清楚。我们观察到不同的细胞类型的A/B隔室中都具有很大的空间可塑性，一个谱系分析中至少有有36%的基因开关隔室（方法；图1A和拓展数据图2A-C）。许多A/B隔室转换具有谱系特异性（图.1b)。值得注意的是，这似乎是一个B隔室在人类干细胞变成成 MScells或inIMR90成纤维细胞时进行大的扩张。这两种细胞已证实在分化过程中进行阻遏性的扩张异染色质的修改[13,17]。在这方面,在它们的基因组中似乎有类似的空间组织。我们观察到,改变他们的A / B隔室通常与一个或一系列TADs对应（图1 a,c和扩展数据图2 d,e),这表明TADs是动态染色体变化隔室的单位。与他人loci[18-20]之前的研究一致,我们发现从A隔室到B隔室的转变减少了基因的表达,而从B到A隔室的变化显示出更高的基因表达(图1 d)。此外,谱系限制性隔室A域，与其他域相比往往包括更多的谱系限制性基因(扩展数据图3 a)。这虽然有一定意义,但表达变化的整体模式是微妙难解的。我们推测这种轻微的相关性可能是由于一部分基因影响隔室变化,尽管大多数基因仍不受影响,我们确认 718个公变的基因与基因表达和