自然通讯:研究发现染色质三维调控景观影响LSC功能和特征

角膜缘干细胞(LSC)位于角膜和结膜交界处的角膜缘区，在维持角膜上皮的稳态、角膜的透明性和完整性方面起着关键作用。哺乳动物成体干细胞的命运、可塑性、功能和特性主要由染色质的表观遗传结构和转录因子的协同调控网络决定。这些转录调节信息编码在染色质的三维结构中。真核细胞的染色体以特定的方式有序组装，最终形成高级别的染色体结构。三维基因组为基因表达在时间和空间上的调控奠定了结构基础，与组织发育、细胞命运改变、癌症等密切相关。中山大学中山眼科中心欧阳洪教授团队发现了影响LSC功能和特征的染色质三维调控景观。

2021年，中山大学中山眼科中心欧阳洪团队在《自然通讯》上发表了题为《核心转录调控回路编排角膜上皮稳态》的研究论文。首次绘制了人类LSC的组蛋白修饰(H3K27ac，H3K4me1，H3K4me3，H3K27me3)和染色质可及性图谱，构建了基于超级增强子和转录因子相互作用的调控网络。发现由RUNX1、PAX6和SMAD3(RPS)组成的核心转录调控回路(CRC)决定了LSC的命运。然而，核心转录因子和表观遗传信息是如何与三维基因组耦合来调控LSC的功能和特性的，目前仍是未知的。

欧阳团队在《自然通讯》上发表了研究论文《全面的3d epi基因组图谱定义角膜缘干细胞/祖细胞的功能和身份》。本研究通过Hi-C技术获得了LSC的高分辨率染色质三维相互作用图，揭示了LSC的三维染色体组装，包括A/B比较、拓扑关联域(TADs)和染色质环。此外，结合表观基因组、转录组、转录因子/CTCF/SMC1组合图谱，通过多组学数据的联合分析，分析了染色质三维结构的表观遗传特征，识别了超级增强子(SE)和超级沉默子的相互作用网络以及关键转录因子的三维调控机制，阐明了影响LSC功能和特性的染色质三维调控景观。

研究人员首先通过Hi-C数据确定了LSC中的A/B比较、TAD和比色环，并进一步揭示了三维空间结构中激活的(H3K27ac，H3K4me1，H3K4me3)和抑制的(H3K27me3，H3K9me2)组蛋白修饰的分布。特别地，一些H3K4me3阳性的激活启动子将相互作用以形成P-P环结构。有趣的是，对应于形成环的两个启动子的基因的表达水平存在显着差异，其中一个是高表达的，而另一个是低表达或不表达的。因此推测P-P环低表达或不表达的H3K4me3阳性启动子此时可能起增强子的作用。

研究人员将富含H3K27me3和H3K9me2的区域定义为超级沉默者。超级沉默子是细胞特异性的，倾向于与相同类型的转录抑制区域相互作用。与普通消声器相比，超级消声器的面积更大，但相互作用频率更低。超级沉默子覆盖或相互作用的基因都表现出转录抑制。在病理状态下，角膜组织的临床表现包括炎症、浸润、角质化、角膜结膜、鳞状细胞癌等。进一步发现，正常LSC中被超级沉默子覆盖并相互作用的基因与眼睛发育、角膜上皮分化、活化、血管生成、角质化等相关。特别地，在正常LSC中，结膜上皮基因、干眼关键基因MMP9和鳞状细胞癌癌基因都被超级沉默子抑制。有趣的是，这些疾病基因的启动子处于H3K4me3/H3K27me3阳性的二价状态，处于就绪激活状态。此外，原癌基因SOX2和皮肤上皮基因KRT1被超级沉默子抑制，同时与远端超级增强子相互作用，形成活性-非活性对接触，为转录激活做准备。因此，这项研究揭示了染色质的三维表观结构基础，其中疾病基因被抑制和激活。

研究进一步绘制了SE-SE和SE-P环形成的相互作用网络，发现有的SE会与多个启动子相互作用，有的启动子也会与多个SE相互作用，有的SE通过与启动相互作用的SE相互作用间接调控基因表达，形成SE相互作用枢纽。SE介导的相互作用环仅限于由CTCF/内聚蛋白-CTCF/内聚蛋白建立的绝缘邻域。综上所述，团队进一步构建了p63/RPS介导的SE-P相互作用网络，揭示了关键转录因子的三维调控机制。

图3。LSC多级基因组结构中编码的三维调控景观

中山大学中山眼科中心和眼科国家重点实验室是本文的第一作者。李明森副研究员是本文的第一作者，欧阳洪、刘一智两位教授是本文的通讯作者。