Integrative Hi-C-, ATAC-seq- und ChIP-seq-Analysen liefern Einblicke in die Mechanismen der Genregulation.

Integrative Analysen mehrerer genomischer Datensätze sind entscheidend für das Verständnis der Komplexität der Genregulation in Gesundheit und Krankheit. Jüngste Fortschritte in der Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie haben zur Generierung großer Mengen genomischer Daten geführt, wie z.B. Hi-C, ATAC-seq, ChIP-seqund Genexpressionsdaten. Hi-C ist eine Technik, die Chromatininteraktionen im gesamten Genom erfasst, während ATAC-seq und ChIP-seq Informationen über Chromatinzugänglichkeit und Protein-DNA-Interaktionen liefern. Durch die Integration dieser Datensätze können Forscher die Beziehung zwischen Chromatinstruktur, Bindung von Transkriptionsfaktoren und Genexpression untersuchen.

Die Untersuchung des Mechanismus, durch den Runx1 die Genexpression in der hämatopoetischen Entwicklung über dynamische Chromatin-Grenzen beeinflusst.

Runx1/AML1 ist ein Mitglied der RUNX-Familie von Transkriptionsfaktoren, die an der Aufrechterhaltung der normalen hämatopoetischen Homöostase beteiligt sind. Eine Störung von RUNX1 beim Menschen führt zu mehreren hämatopoetischen Störungen, einschließlich akuter myeloischer Leukämie und familiären Thrombozytopenien mit myeloischen Malignitäten. Runx1 ist ein großes und komplexes Gen, das durch zwei Promotoren (P1 und P2) transkriptionell reguliert wird, die unter dem spatiotemporalem Einfluss mehrerer hämatopoetischer Enhancer stehen. Die Aufklärung des transkriptionalen Regulationsmechanismus von Runx1 wird voraussichtlich zu einem besseren Verständnis der chromatinären Konformationsänderungen beitragen, die komplexe Multi-Promotor-Gene während der Entwicklung annehmen. Die kombinierte Analyse von Dnasel-seq, ChIP-seq, ATAC-seq und RNA-seq ergab zugängliche Chromatinstellen an bekannten Enhancern, CTCF-Stellen und potenziellen cis-regulatorischen Elementen innerhalb von TAD während der Differenzierung. Es wurde festgestellt, dass während der Differenzierung sub-TAD-Chromatin-Grenzen dynamisch innerhalb des großen und komplexen Runx1-Regulationsbereichs gebildet werden und an der Koordination der Genexpression und der hämatopoetischen Differenzierung beteiligt sind.

Schematisches Modell der dynamischen Chromatinveränderungen bei Runx1 während der hämatopoetischen Entwicklung und nach Deletionen von CTCF-Stellen in Promotor-Nähe.

Zerlegung von langreichweitigen transkriptionalen cis-regulatorischen Elementen in Allotetraploid-BaumwolleGossypium hirsutumGenom

Neben der Krankheitsforschung wurde die integrative Analyse auch verwendet, um die normale Entwicklung und Zell-Differenzierung zu untersuchen. Gossypium hirsutum, eine importierte Faser- und Ölsaatpflanze, die weltweit weit verbreitet ist, dient auch als Modell zur Analyse aller polyploiden Genome. Diese Forschung konzentriert sich darauf, die funktionale Genomzusammensetzung zu bestimmen, einschließlich protein-kodierender Gene und nicht-kodierender regulatorischer Elemente, um die Verbesserung landwirtschaftlicher Eigenschaften zu leiten. Die Studie bereitete zunächst eine ultrahochauflösende (3 Kb) Hi-C-Bibliothek (233 Gb) und eine Pore-C-Bibliothek mit angemessener Auflösung (20 Kb) basierend auf Blättern von G. hirsutum vor, um eine feine 3D-Genomkarte von Baumwolle zu erstellen, um die vielfältigen Wechselwirkungen chromosomaler Strukturdomänen vollständig zu erkunden und zu helfen, den Zustand und den intranukleären Standort funktionaler genomischer Komponenten zu verstehen. Anschließend wurden Hi-C, ChIA-PET (H3K4me3) und ChIP-Seq (H3K4me3, H3K27ac und H3K27me3) verwendet, um Chromatin-Schleifen und ihre potenzielle Rolle bei der Gen-Transkription zu untersuchen. Bei einer Auflösung von 3 Kb beobachtete die Studie 31.047 Gen-Gen-Schleifen, 40.035 Gen-nicht-kodierende Regionen-Schleifen und 121.415 andere Schleifen. Gene, die an den Ankerpunkten der Gen-Gen-Schleifen lagen, wiesen höhere Expressionsniveaus auf, die mit höheren Ebenen aktiver Histonmodifikationen assoziiert waren. Mögliche transkriptionale cis-regulatorische Elemente (CREs) über lange Strecken wurden anschließend durch die Kombination von ATAC-Seq, ChIP-Seq und Chromatin-Schleifen identifiziert. Diese Studie untersuchte umfassend die feine 3D-Genomstruktur von allotetraploider Baumwolle und analysierte die Merkmale großer und komplexer hochgradiger mehrfacher Wechselwirkungen sowie die potenziellen Auswirkungen auf die Genexpression.

Multi-Omics-Kartierung der feinen 3D-Genomstruktur und deren Auswirkungen auf die transkriptionale Regulation in allotetraploidem Baumwolle.

Integrative Analyse mehrerer genomischer Datensätze, wie Hi-C, ATAC-seq, ChIP-seq und Genexpressionsdaten, hat das Potenzial, ein tieferes Verständnis der räumlichen Organisation von Chromatin, der transkriptionalen Regulation und der Krankheitsmechanismen zu vermitteln.

Referenzen:

1. Owens D D G, Anselmi G, Oudelaar A M, et al. Dynamische Runx1-Chromatin-Grenzen beeinflussen die Genexpression in der hämatopoetischen Entwicklung. Nature Communications, 2022, 13(1): 1-15.
2. Huang X, Tian X, Pei L, et al. Multi-Omics-Kartierung von Chromatin-Interaktionen löst die feine Hierarchie des 3D-Genoms in allotetraploidem Baumwolle. Pflanzenbiotechnologie-Journal, 2022.