Nat Commun | 何愛彬研究組揭示造血干細胞起源的表觀遺傳層級調(diào)控
2022年1月17日，北京大學分子醫(yī)學研究所、生命科學聯(lián)合中心何愛彬研究組在NatureCommunications雜志在線發(fā)表研究論文“Pre-configuring chromatin architecture withhistone modifications guides hematopoietic stem cell formation in mouse embryos”，從跨尺度的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)、組蛋白修飾及造血相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子RUNX1的表觀調(diào)控維度，揭示了HSC起源的命運決定機制。
造血干細胞（hematopoietic stem cell, HSC）維持整個造血系統(tǒng)的細胞群體組成與功能。內(nèi)皮-造血轉(zhuǎn)化（endothelial-to-hematopoietictransition, EHT）是HSC重要的起源過程：在背主動脈的腹側(cè)，部分早期動脈內(nèi)皮細胞（early arterialendothelial cell, eAEC）特化為生血內(nèi)皮細胞（hemogenic endothelial cells, HEC），產(chǎn)生造血干細胞前體（pre-HSC），進而成熟發(fā)育為長期造血干細胞（long-term hematopoietic stemcell, LT-HSC）。雖然單細胞轉(zhuǎn)錄組分析及功能實驗驗證剖析了從eAEC向HSC發(fā)育的動態(tài)軌跡上的不同細胞群體1, 2，但是，HSC譜系起源和命運決定是如何受到包括染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)、組蛋白修飾及轉(zhuǎn)錄因子的多維表觀機制整合調(diào)控的，則尚未可知。
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為了探究哺乳動物胚胎中多維表觀遺傳層級如何調(diào)控HSC發(fā)生這一科學問題，該研究突破了少量細胞檢測的技術(shù)瓶頸，應用少量細胞sisHi-C（small-scale in situ Hi-C）技術(shù)3和何愛彬團隊于2019年開發(fā)的少量細胞itChIP-seq（indexing and tagmentation-based chromatinimmunoprecipitation sequencing）技術(shù)4，分別在數(shù)百個細胞中，檢測染色質(zhì)互作結(jié)構(gòu)、組蛋白修飾及轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合圖譜。作者從小鼠胚胎的主動脈-性腺-中腎區(qū)和胎肝中分別收集了HSC發(fā)育路徑上相鄰的四種細胞類型：eAEC、HEC、pre-HSC以及LT-HSC（圖1）。結(jié)合團隊近期發(fā)表的單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)1, 2，以大范圍到小范圍的不同層級染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)育變化為主線，進行HSC起源的多維表觀遺傳調(diào)控機制解析。
圖1.細胞樣品示意圖及多維表觀調(diào)控檢測
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促進造血發(fā)生的染色質(zhì)互作變化發(fā)生在拓撲結(jié)構(gòu)域（topologically associated domain, TAD）內(nèi)部。在大尺度的染色質(zhì)區(qū)室層級（100 Mbp），基因組被劃分為轉(zhuǎn)錄活躍性高的A類區(qū)室和轉(zhuǎn)錄活躍性低的B類區(qū)室。僅有約10.78%的基因組區(qū)域存在任兩個時期之間的A/B類區(qū)室互換的現(xiàn)象。TAD為染色質(zhì)區(qū)室的下一級結(jié)構(gòu)，其邊界富集了H3K4me3信號，存在阻隔強度的動態(tài)變化，但并未直接影響TAD邊界附近基因的表達。而進一步探究發(fā)現(xiàn)，TAD內(nèi)部的調(diào)控元件互作及伴隨的組蛋白修飾變化，直接與造血發(fā)育進程相關(guān)。
HSC特異的增強子在eAEC中已經(jīng)處于一定程度的激活狀態(tài)。與以往的從無到有的增強子激活認知不同的是，在EHT初期的eAEC中，造血過程相關(guān)TAD中的增強子已經(jīng)顯著富集激活性組蛋白修飾（H3K27ac和H3K4me1）。從eAEC經(jīng)過HEC，到pre-HSC，增強子的活性信號并沒有變化，僅在pre-HSC至LT-HSC這一階段才進一步增強。這提示在eAEC中，已經(jīng)初步準備好了造血發(fā)生的相關(guān)染色質(zhì)修飾基礎，但需要染色質(zhì)互作結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，驅(qū)動促進HSC產(chǎn)生（圖2）。
染色質(zhì)互作在早期變化最顯著。EHT初期（eAEC-HEC），TAD內(nèi)部染色質(zhì)互作大幅度變化，造血相關(guān)基因所在區(qū)域的互作顯著增強。在EHT末期pre-HSC到LT-HSC轉(zhuǎn)變中，TAD內(nèi)互作只是小幅度增強，但標記活性增強子的組蛋白修飾H3K27ac則一定程度顯著提升。整個過程中，相應的抑制性組蛋白修飾H3K27me3逐步減弱，為造血發(fā)生創(chuàng)造活躍染色質(zhì)環(huán)境（圖2）。
圖2. HSC發(fā)生的多維表觀遺傳層級調(diào)控示意圖
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令人意外的是發(fā)現(xiàn)早在eAEC時期，RUNX1蛋白已富集結(jié)合于增強子-啟動子（E-P）互作的錨點區(qū)域。RUNX1 是一個重要造血發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子5，一般認為它為驅(qū)動HSC的發(fā)生所必須，其表達時間與HSC一致，它的缺失會造成胚胎造血異?；蛑滤?, 7。受限于檢測技術(shù)對細胞數(shù)目的要求，很多已有研究只能使用體外分化樣品或細胞系進行RUNX1的ChIP-seq實驗8, 9,10，以探究RUNX1如何調(diào)控HSC細胞命運。利用新開發(fā)的高靈敏度itChIP-seq技術(shù)，該研究以100-500個分選細胞為起始樣品，檢測了eAEC、HEC、pre-HSC和LT-HSC的RUNX1全基因組結(jié)合圖譜。研究發(fā)現(xiàn)，HSC發(fā)生過程中，RUNX1參與了約40.9%的E-P互作。其中，互作強度暫時或持續(xù)上升的E-P互作與造血及免疫過程顯著相關(guān)（圖3）。基于RUNX1結(jié)合互作的啟動子及增強子區(qū)域，該研究預測出與RUNX1協(xié)同調(diào)控染色質(zhì)互作的其它轉(zhuǎn)錄因子，如GFI1b、PU.1、IRF家族蛋白、SMAD家族蛋白等。該預測結(jié)果為RUNX1協(xié)同其它轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)控EHT的機制探究提供了指示方向。
圖3. RUNX1參與增強子-啟動子(E-P)互作及調(diào)控相關(guān)生物學過程
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簡而言之，該研究突破了體內(nèi)樣品細胞數(shù)目限制的技術(shù)瓶頸，整合了多層級染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、不同組蛋白修飾及轉(zhuǎn)錄因子RUNX1的多組學數(shù)據(jù)，揭示了HSC起源的表觀遺傳層級調(diào)控新機制。
何愛彬教授、劉兵研究員（解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學中心）、蘭雨研究員（暨南大學）為本文共同通訊作者。北京大學分子醫(yī)學研究所博士李晨、軍事科學院博士生張廣雨為論文共同第一作者，感謝清華大學頡偉教授對sisHi-C技術(shù)的分享。該研究獲得了科技部干細胞專項、國家自然科學基金委、廣東省重點研究開發(fā)項目、生命科學聯(lián)合中心、北京大學高性能計算中心和生命科學學院鳳凰平臺的大力支持。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28018-z
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