如何通過CHIP-seq分析鑒別基因啟動子和增強(qiáng)子

日期：2018-11-15 標(biāo)簽：CHIP-seq,啟動子,增強(qiáng)子

染色體一個核小體由兩個H2A，兩個H2B，兩個H3，兩個H4組成的組蛋白八聚體和147bp纏繞在外面的DNA組成。組蛋白有很多修飾形式，包括組蛋白末端的乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化、ADP核糖基化等等，這些修飾都會影響基因的轉(zhuǎn)錄活性。而組蛋白H3是修飾最多的組蛋白。

      組蛋白甲基化和乙?；饕l(fā)生在它們的N-末端尾部并且可以影響基因的轉(zhuǎn)錄。大量研究表明，組蛋白乙?；饕c基因激活有關(guān)，而甲基化取決于其位置和狀態(tài)，與抑制或激活有關(guān)。組蛋白乙酰化主要發(fā)生在H3、H4的N端比較保守的賴氨酸位置上，是由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去乙?；竻f(xié)調(diào)進(jìn)行。特定基因部位的組蛋白乙酰化和去乙?；且砸环N非隨機(jī)的、位置特異的方式進(jìn)行。乙?；赡芡ㄟ^對組蛋白電荷以及相互作用蛋白的影響，來調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。

Figure 1 Readers of histone PTMs. Recognition of the methylated(me) lysine, methylated (me) arginine, acetylated (ac) lysine and phosphorylated (ph) serine and threonine residues of the N-terminal histone H3 tail by indicated readers.

圖片來源：Perceiving the epigenetic landscape through histone readers. Nat Struct Mol Biol, 19, 1218-1227. E.L.Greer, and Y.Shi (2012)

組蛋白甲基化的位點(diǎn)是賴氨酸和精氨酸。賴氨酸可以分別被一、二、三甲基化，精氨酸只能被一、二甲基化。研究表明，組蛋白精氨酸甲基化是一種相對動態(tài)的標(biāo)記，精氨酸甲基化與基因激活相關(guān)。相反，賴氨酸甲基化似乎是基因表達(dá)調(diào)控中一種較為穩(wěn)定的標(biāo)記。例如，H3第4位（H3K4）的賴氨酸殘基甲基化與基因激活相關(guān)，而第9位和第27位賴氨酸（H3K9，H3K27）單甲基化與基因激活有關(guān)，三甲基化與基因沉默相關(guān)。

基因組包含大量的非編碼DNA調(diào)控元件，包括沉默子、絕緣子、啟動子和增強(qiáng)子，在基因表達(dá)中起重要作用。啟動子是RNA 聚合酶識別、結(jié)合和開始轉(zhuǎn)錄的一段DNA 序列，它含有RNA 聚合酶特異性結(jié)合和轉(zhuǎn)錄起始所需的保守序列，一般位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的上游。增強(qiáng)子是指能夠使基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的 DNA序列，是關(guān)鍵的調(diào)控元件，可以影響基因轉(zhuǎn)錄，而與其方向或距離無關(guān)，增強(qiáng)子通?？梢赃h(yuǎn)離其調(diào)節(jié)目標(biāo)數(shù)千個堿基對。增強(qiáng)子有別于啟動子處有兩點(diǎn):[1]增強(qiáng)子對于啟動子的位置不固定，而能有很大的變動;[2]它能在兩個方向產(chǎn)生相互作用。一個增強(qiáng)子并不限于促進(jìn)某一特殊啟動子的轉(zhuǎn)錄，它能刺激在它附近的任一啟動子。

組蛋白修飾能預(yù)測染色質(zhì)的類型（異染色質(zhì)或常染色質(zhì)）、區(qū)分基因組功能元件（啟動子、增強(qiáng)子、基因主體）以及檢測決定這些元件處于活性狀態(tài)或是抑制狀態(tài)。例如H3K4me2和H3K4me3修飾大多數(shù)富集在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的啟動子上激活基因表達(dá)，而H3K27me2和H3K27me3與基因抑制相關(guān)。

因此可通過CHIP-seq分析組蛋白修飾的分布尋找基因的啟動子區(qū)和增強(qiáng)子區(qū)域及其是激活或抑制基因表達(dá)。

H3K4me1可作為增強(qiáng)子的標(biāo)志，H3K4me3作為啟動子標(biāo)志。研究表明，H3K4me1和H3K4me3與基因激活相關(guān)，H3K4me3主要富集在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的啟動子區(qū)域，而大多數(shù)H3K4me1修飾富集在增強(qiáng)子區(qū)域；H3K27ac與基因激活相關(guān)，主要富集在增強(qiáng)子和啟動子區(qū)域，當(dāng)增強(qiáng)子區(qū)只有H3K4me1修飾富集時，該增強(qiáng)子處于平衡狀態(tài)，而當(dāng)增強(qiáng)子區(qū)域同時富集H3K4me1和H3K27ac修飾時，該增強(qiáng)子就處于激活狀態(tài)促進(jìn)基因表達(dá)；H3K27的甲基化是可逆的過程，H3K27me1顯示出對轉(zhuǎn)錄具有正向影響,啟動子區(qū)域的H3K27me3甲基化修飾時抑制基因的轉(zhuǎn)錄,而H3K27me2廣泛分布并且在沉默非細(xì)胞類型特異性增強(qiáng)子中起作用。

下表為常見的組蛋白修飾的主要分布及功能：

異染色質(zhì)是染色質(zhì)的濃縮，轉(zhuǎn)錄無活性狀態(tài)，H3K9甲基化是異染色質(zhì)的標(biāo)志。H3K27me1和H3K9me3存在于著絲粒異染色質(zhì)區(qū)域，而H3K27me3和H3K9me2共同存在于抑制的常染色質(zhì)區(qū)域中。H3K9ac也與H3K14ac和H3K4me3高度共存共同作為活性基因啟動子的標(biāo)志。

Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental state. Creyghton, M.P. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 21931–21936 (2010)

圖注：A、使用ChIP-Seq鑒定的遠(yuǎn)端H3K4me1組蛋白標(biāo)記鑒定了鼠ES細(xì)胞中的細(xì)胞類型特異性增強(qiáng)子：基于H3K4me1富集和非H3K4me3富集的的熱圖選出25,036個推定增強(qiáng)子。B、缺乏H3K27ac富集的增強(qiáng)子近端基因與平均增強(qiáng)子近端基因相比表現(xiàn)出較低的表達(dá)水平，表明H3K27ac是區(qū)分活性和平衡增強(qiáng)子狀態(tài)的良好標(biāo)志。C、選擇富含H3K27ac的增強(qiáng)子使用先前發(fā)表的小RNA-Seq數(shù)據(jù)集檢測這些短RNA表達(dá)與富含H3K27ac的增強(qiáng)子的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)這些短RNA確實(shí)從H3K27ac陽性增強(qiáng)子轉(zhuǎn)錄。這再次支持H3K27ac是活性增強(qiáng)子元素的確定性因子。

圖注：使富含H3K4me1的遠(yuǎn)端區(qū)域的鄰近基因活性增強(qiáng)是H3K27ac的功能。A、顯示顯示組織特異性分布的四種指定細(xì)胞/組織類型中增強(qiáng)子峰周圍的四千堿基對H3K27ac富集的染色質(zhì)狀態(tài)（下圖）；B、A中所示的H3K27富集區(qū)域的相關(guān)性分析，近端基因的活性與所有成體組織中的遠(yuǎn)端H3K27ac富集正相關(guān)；C、成年肝臟的微陣列數(shù)據(jù)的基因表達(dá)，顯示所有基因（全部）和發(fā)現(xiàn)與肝臟增強(qiáng)子特異性相關(guān)的基因的增強(qiáng)子富集（+）或未富集（ - ）的H3K4me1或H3K27ac的基因表達(dá)。

圖注：神經(jīng)糖蛋白是在ES細(xì)胞中具有平衡的增強(qiáng)子，其在神經(jīng)祖細(xì)胞中變得活躍的基因?；蚋橦3K4me1（綠色，頂部），H3K27ac（紅色，中部）和H3K4me3（黑色，底部）在Neuroglycan C基因的20,792 bp大區(qū)域的富集。這些數(shù)據(jù)表明當(dāng)細(xì)胞切換發(fā)育狀態(tài)并且H3K27ac可用于區(qū)分兩種增強(qiáng)子狀態(tài)時，增強(qiáng)子通過激活平衡增強(qiáng)子在細(xì)胞分化中發(fā)揮確定性作用。