张笑天等揭示造血干细胞中存在由多梳蛋白介导的超长程三维基因组互作

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DNA甲基化是DNA上重要的化学修饰，主要以CpG甲基化为主。以往的研究揭示了DNA甲基化在胚胎发育和癌症发生过程中的重要作用。但DNA甲基化在近来备受关注的三维基因组的结构上有何作用一直并不清楚。

2020年5月7日，Van Andel研究所张笑天博士，贝勒医学院Erez Lieberman-Aiden 博士，贝勒医学院Margaret Goodell博士合作发表Molecular Cell封面文章Large DNA Methylation Nadirs Anchor Chromatin Loops Maintaining Hematopoietic Stem Cell Identity。这篇文章揭示了DNA甲基化谷（DNA methylation canyon，DMC）在造血干细胞三维基因组里形成长程空间互作。

众所周知，哺乳动物基因组内除CpG island的绝大多数CpG位点都被完全甲基化。DNA甲基化谷（DNA methylation canyon，DMC）是近来发现的在哺乳动物基因组内的一类极长非甲基化区域（大于3.5kb)。DNA甲基化谷在2013年由任兵/颉伟教授和Margaret Goodell教授/李蔚教授分别独立发现【1,2】。DNA甲基化谷区域包括CpG island并且与活跃的启动子、增强子和Polycomb target 密切相关。

在这篇Molecular Cell的文章中，作者先对血液分化过程中的3种细胞——造血干细胞与祖细胞（HSPC）、T细胞和由HSPC分化的红细胞祖细胞进行了高精度三维基因组互作分析，得到了5kb精度的HiC基因组互作图谱。然而TAD的变化在血液分化过程中变化并不明显。有趣的是，当作者们仔细检查HSPC中的DMC时,发现DMC之间形成边界非常明显的两两互作，且只在HSPC中发生。进一步的检查发现DMC间的互作只在20%的最长DMC（7.3kb-33kb）之间发生，而且互作距离非常之长，有个别两个互作位点甚至在同一条染色体上相隔60MB (图1)。
图一. DNA甲基化谷(grand canyon)在造血干与祖细胞三维基因组内的超长程互作
有趣的是，这些最长的DMC与Homeobox基因密切相关，并且在基因组中富集了最强的H3K27me3 信号。Margaret Goodell博士于是趣味性地将这些top 20%最长的DMC命名为Grand Canyon。Grand canyon内部强烈的H3K27me3富集提示Grand Canyon的互作与Polycomb蛋白密切相关。进一步的分析表明Grand Canyon的互作与cohesion loop明显不同，并未呈现cohesion loop对loop anchor CTCF朝向性的偏好。

作者进一步使用EZH2抑制剂EPZ6438在HSPC中降低H3K27me3的富集, 发现随着EZH2被抑制，grand canyon 间的相互作用同时消失。这说明Grand Canyon内的高H3K27me3 浓度对grand canyon的互作是必要的。
接下来，作者分析了目前产生的高分辨率HiC数据,并只在小鼠胚胎干细胞及其分化而成的神经前体细胞中发现了grand canyon间的强烈互作。而在常用的人类体细胞细胞系中Grand Canyon位点间互作几乎全部消失。考虑到细胞系中Grand Canyon区域DNA高甲基化和H3K27me3的降低，这有可能是分化血液细胞与细胞系中Grand Canyon区域互作消失的原因。
另外，作者在HSPC 中的Grand Canyon互作分析中发现了一个Grand Canyon位点和HOXA cluster中的抑制区域形成互作，这一互作可被EZH2 抑制剂去除并和HSPC的干性维持及活跃HOXA的表达密切相关。张笑天博士目前正对这一Grand Canyon区域在白血病中的作用进行进一步的研究【3】。
对Polycomb 蛋白介导的三维基因组研究目前主要集中在胚胎干细胞中进行。本项研究第一次揭示了成体干细胞中存在由Polycomb介导的超长程三维基因组互作。并为DNA甲基化如何参与三维基因组调控提供了全新的视角。值得指出的是DNA甲基化谷主要由DNMT3A与TET2 进行调控，而这两个基因的突变在血液肿瘤和克隆造血中非常频繁，这两个基因的突变是否会造成基因组三维结构的变化，将是非常有趣的研究问题【2,4】。
温州医科大学苏建忠课题组，贝勒医学院李蔚课题组同样此项工作做出了重要贡献。


原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.04.018

制版人：琪酱

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1.Xie, W. et al. Epigenomic analysis of multilineage differentiation of human embryonic stem cells. Cell 153, 1134-48 (2013).

2. Jeong, M. et al. Large conserved domains of low DNA methylation maintained by Dnmt3a. Nat Genet 46, 17-23 (2014).

3.Xue Qing David Wang, H.G., Pamela Himadewi, Fan Feng, Lu Yang, Wanding Zhou, Yushuai Liu, Xinyu Wang, Chun-wei Chen, Jianzhong Su, Jie Liu, Gerd Pfeifer, Xiaotian Zhang. Three-dimensional regulation of HOXA cluster genes by a cis-element in hematopoietic stem cell and leukemia

. Biorxiv (2020).

4.Zhang, X. et al. DNMT3A and TET2 compete and cooperate to repress lineage-specific transcription factors in hematopoietic stem cells. Nat Genet 48, 1014-23 (2016).