Umfassende Kartierung der regulatorischen Elemente im Hühnergenom

Das Huhn, der Pionier unter den landwirtschaftlichen Tieren, dessen Genom sequenziert wurde, steht als Eckpfeiler der Domestikation. Als eine der am intensivsten untersuchten Vogelarten bietet es wertvolle Einblicke in die evolutionären Verbindungen zwischen Säugetieren und Vogelarten. Über seinen Status im landwirtschaftlichen Bereich hinaus dient das Huhn als wichtiges Modellorganismus in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen, einschließlich Evolutions- und Entwicklungsbiologie, Immunologie und epigenetischer Genregulation. Das Bestreben, funktionale Elemente in Tiergenomen zu annotieren, spielt eine entscheidende Rolle beim Entschlüsseln der molekularen Grundlagen wirtschaftlich bedeutender und komplexer Merkmale wie Wachstum, Fortpflanzung und Krankheitsresistenz. Dieses Vorhaben, insbesondere in Bezug auf die umfassende Annotation nicht-kodierender Regionen, ist eine dringende Notwendigkeit. Analog zu den Projekten Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) und Epigenome Roadmap macht das Konsortium Functional Annotation of Animal Genomes (FAANG) bemerkenswerte Fortschritte bei der Verbesserung der Genomanotation für Nutztiere und Geflügel.

Dennoch bleibt die aktuelle Annotation regulatorischer Elemente auf eine begrenzte Anzahl von Geweben beschränkt, insbesondere beim Huhn. Dies unterstreicht den dringenden Bedarf an einer umfassenderen Kartierung regulatorischer Elemente. Die umfassende Kartierung regulatorischer Elemente im Huhngenom verspricht, die Identifizierung potenzieller kausaler Varianten für wirtschaftlich wichtige Merkmale zu erleichtern. Dies beschleunigt wiederum den Zuchtprozess und bereichert die Nützlichkeit von Hühnern als Forschungsobjekte in den Lebenswissenschaften.

Diese Studie stellt einen Pionierversuch dar, eine Karte regulatorischer Elemente über verschiedene Gewebe hinweg zu erstellen, indem Daten aus 377 verschiedenen epigenomischen, transkriptomischen und Chromatin-Konformationsdatensätzen, die aus 23 wichtigen Geweben von erwachsenen Hühnern stammen, integriert werden. Sie untersucht die nuancierten, gewebespezifischen Funktionen regulatorischer Elemente und antizipiert Interaktionen zwischen Enhancern und ihren Zielgenen, wobei sogar das Konzept der Super-Enhancer hervorgehoben wird.

Durch die Beleuchtung der funktionalen Aspekte dieser Elemente trägt diese Forschung zu unserem Verständnis verschiedener Aspekte wie der Domestikation von Hühnern, monogenen Merkmalen und der komplexen Regulation wirtschaftlich bedeutender Merkmale bei.

Die Zusammenfassung des epigenomischen Atlas des Huhns. (Pan et al., 2023)

Gewebespezifische Genregulation bei Hühnern

In dieser Studie wurden 377 genomweite Datensätze aus 23 wichtigen Hühnergeweben unter Verwendung einer Kombination fortschrittlicher Technologien generiert, einschließlich ChIP-seq (für Histon H3K4me3, H3K4me1, H3K27ac, H3K27me3 und CTCF), ATAC-seq, DNase-seq, RRBS, RNA-seq und Hi-C. Diese Datensätze wurden sorgfältig im Kontext verschiedener histologischer Assays und Gewebe bewertet. Sie beleuchten die komplexe Beziehung zwischen regulatorischen Elementen und Genexpression.

Als bemerkenswertes Beispiel zeigten die Datensätze, dass CDH17 eine spezifische und ausgeprägte Expression in intestinalen Geweben im Vergleich zu anderen Gewebetypen aufwies. Darüber hinaus war es auffällig angereichert in der Nähe des Transkriptionsstartpunkts (TSS) innerhalb der H3K27ac-Modifikation, was die Ergebnisse anderer aktiver regulatorischer Marker widerspiegelt, im Gegensatz zu hemmenden regulatorischen Modifikationsmarkern. Diese Ergebnisse betonen zusammen, wie die in einem gewebespezifischen Muster exprimierten Gene bei Hühnern kohärent durch verschiedene epigenetische Marker reguliert werden.

Entschlüsselung von Chromatinzuständen

Im Anschluss daran konnten die Autoren von ChromHMM durch die Zusammenführung von Daten aus allen fünf epigenetischen Markierungen über 23 verschiedene Gewebe hinweg erfolgreich 15 einzigartige Chromatinzustände vorhersagen. Wie erwartet, wiesen diese Zustände unterschiedliche Anreicherungsmuster auf: Promotoren dominierten in der Nähe der Transkriptionsstartstellen (TSS), in nicht-kodierenden Regionen am 5'-Ende und in CpG-Inseln. Sowohl aktive Promotoren als auch Enhancer waren signifikant überrepräsentiert in den TSS und exprimierten Genen im Vergleich zu repressiven Genen.

Unter diesen Chromatinzuständen zeigte die Enhancer-Aktivität die größte Dynamik über die Gewebe hinweg, während die Promotoraktivität bemerkenswert konserviert blieb. Promotoren wiesen höhere Erhaltungsniveaus auf als Enhancer und Repressionsregionen auf der DNA-Sequenzebene. Die Autoren untersuchten auch das komplexe Zusammenspiel zwischen regulatorischen Elementen und der Genexpression in der Nähe spezifischer evolutionärer Bruchstellen im Huhngenom sowie die komplexe Beziehung zwischen DNA-Methylierung und regulatorischen Elementen.

Ihre Untersuchung konzentrierte sich insbesondere auf die Interaktionen zwischen Enhancern und spezifischen Zielgenen und veranschaulichte deren Rolle bei der Regulierung der Genexpression. Bemerkenswerterweise wiesen Gene, die mit einer Vielzahl von Enhancern assoziiert waren, erhöhte Genexpressionsniveaus, verminderte gewebespezifische Ausdrucksmuster und eine erhöhte Sequenzkonservierung im Vergleich zu Genen mit weniger assoziierten Enhancern auf. Um diese Konzepte zu veranschaulichen, verwendeten die Autoren das Ovalbumin-assoziierte Protein (OVAL) Genlocus, um zu erläutern, wie regulatorische Elemente die Genexpression über ein Spektrum von Geweben orchestrieren.

Entdeckung und Charakterisierung von Chromatinzuständen und Enhancer-Gen-Interaktionen bei Hühnern. (Pan et al., 2023)

Die Rolle regulatorischer Elemente in der Hühnergenetik und -evolution

In dieser Studie untersuchen sie die Anwendung erhöhter Genomanotation in der Hühnerbiologieforschung. Bei der Untersuchung monogener Merkmale nutzen sie kausale Varianten, die in den nicht-kodierenden Regionen von sieben spezifischen Merkmalen im Datenbank enthalten sind. Bemerkenswerterweise zeigen ihre Ergebnisse, dass sechs dieser Merkmale (die 75 % ausmachen) eng mit einem oder mehreren sorgfältig organisierten aktiven regulatorischen Elementen verbunden sind. Bemerkenswerte Beispiele sind Merkmalsvariantenloci, die mit Polydaktylie (SNP) und der Färbung des Hühnergefieders (Deletion) assoziiert sind, die beide innerhalb dieser regulatorischen Domänen lokalisiert wurden.

Darüber hinaus umfasst ihre Untersuchung eine umfassende Analyse komplexer Merkmale, wobei insbesondere GWAS-Zusammenfassungsstatistiken für 44 wirtschaftlich bedeutende Merkmale bei Hühnern, einschließlich Parametern wie Wachstum und Eierproduktion, untersucht werden. Bemerkenswerterweise entdeckten sie eine erhöhte Häufigkeit aktiver regulatorischer Elemente, die mit GWAS-Signalen verbunden sind.

Die regulatorischen Elemente, die an monogenen Merkmalen, komplexen Merkmalen und Selektionssignaturen bei Hühnern beteiligt sind. (Pan et al., 2023)

Ihre Studie befasst sich auch mit der faszinierenden Beziehung zwischen Domestikation und regulatorischen Elementen. Aus ihrer Forschung geht hervor, dass die Domestikation anscheinend durch gewebespezifische Enhancer-Regulation vorangetrieben wird. Dies, kombiniert mit zuvor dokumentierten Erkenntnissen über die selektiven Prozesse während der Domestikation, insbesondere beim Übergang vom roten Dschungelhuhn zu domestizierten Hühnern und der Differenzierung zwischen modernen Masthühnern und Legehennen, hebt ein überzeugendes Zusammenspiel von Faktoren hervor. Diese Beobachtungen legen nahe, dass ihre Kartierung regulatorischer Elemente wertvolle Einblicke in die Charakterisierung von Kandidatenloci liefert. Dies wiederum verspricht, ihr Verständnis der molekularen Mechanismen, die der Evolution und Selektion sowohl monogener als auch komplexer Merkmale sowie Anpassungen im Bereich der Hühner zugrunde liegen, zu bereichern.

Referenz:

1. Pan, Zhangyuan, et al. "Ein Atlas regulatorischer Elemente im Huhn: Eine Ressource für Hühnergenetik und -genomik." Science Advances 9.18 (2023): eade1204.