发育、疾病和衰老中的表观遗传学

作者：杨超月

2022年5月12日，西湖实验室、西湖大学生命科学学院和细胞出版社联合举办的第七期Webinar顺利举行，主题为"发育、疾病和衰老中的表观遗传学"（Epigenetics in Development, Disease and Aging）。
本期邀请了四位表观遗传学领域的嘉宾，分别是来自麻省理工学院的Richard Young、爱丁堡大学的Wendy Bickmore、美国国立卫生研究院的Payel Sen以及埃默里大学的Victor Corces。他们围绕染色质结构，以及发育、疾病和衰老过程中的表观遗传变化分享了自己的见解和研究成果。
西湖大学生命科学学院特聘研究员张延晓博士和Developmental Cell杂志主编Jessie Ann Le Good博士共同主持本次研讨会。主持人张延晓博士和Jessie Ann Le Good博士
本次研讨会采用线上直播的形式，与会者来自海内外高校、医院、科研机构、医药企业等单位，累计超过14000人次观看本次直播。
我们对染色质三维结构和基因组空间折叠的理解正在不断加深，但仍不清楚它们如何调节基因表达和基因功能。除此之外，还有另一个问题需要解决：我们的环境如何引起表观遗传变化，进而改变基因功能？无论是在发育还是衰老当中，表观遗传改变都可能导致疾病。Richard Young博士
Richard Young博士介绍了有关基因调控和疾病中的生物分子凝聚体相关的工作。在人类基因组中存在超过1600个转录因子，他们与增强子的结合在基因调控中有非常重要的作用。其中超级增强子（super-enhancer）是由连续排列的增强子串联形成的增强子簇，在决定细胞特性和功能的大多数关键基因附近通常伴随着超级增强子出现，超级增强子上有高密度的转录相关蛋白和RNA，但是其决定细胞命运具体的分子机理一直不清楚。
而生物分子凝聚体作为一种非膜结合的细胞器，可分隔和浓缩参与类似细胞过程的成分。与经典的膜结合细胞器（如细胞核、线粒体和高尔基体）相比，这些结构不受脂质双层的限制，也不是细胞的组成稳定特征。
相反，它们通常通过相分离可逆地和动态地形成，并且可以将自身锚定到细胞中的特定位置上。例如，核缩合物可以与特定 DNA 或 RNA 序列结合的蛋白质结合，细胞质缩合物可以在质膜上的位点结合。Richard Young所领导的研究组在此之前就将研究重点集中在了一种被称为转录凝聚体的细胞液滴上，这种液滴通过特异性的转录因子结合在特定的增强子和启动子元件处，从而在于转录调控过程。
在2018年他们发现，转录共激活因子BRD4和MED1可以在超级增强子处发生相分离形成液滴，将转录机器聚集在超级增强子附近，实现转录过程的区室化反应，其中内在无序区域在相分离过程中发挥关键作用，这项研究为超级增强子通过相分离调控基因表达的模型提供了实验证据，也对细胞命运决定和疾病发生过程中关键基因的表达调控过程提供了全新的视角和概念。
基于之前的结果，他们推测靶向生物分子凝聚体的小分子药物也可能可以发生相分离，而它们的分配能力很有可能会影响该小分子的疗效。团队利用荧光共聚焦显微镜观察细胞中的分布情况。对不同的荧光探针和突变蛋白缩合物的筛选表明，蛋白质和小分子中的芳香部分之间的 pi 系统相互作用决定了缩合物的浓度。这一结果表明，很多临床上重要的药物的化学性质会影响他们与特定的蛋白质缩合物结合，从而影响它们的局部浓度。
上述筛选中发现包括顺铂在内多种药物在体外集中于特定的蛋白质缩合物，其中顺铂选择性的集中于转录凝聚体中。进一步研究发现顺铂会优先靶向铂化MED1凝聚物中包含的DNA序列，从而破坏构成相分离转录凝聚物的调控元件，这对抗癌药物的机制研究提供了全新的方向。他们也计划利用机器学习的方法来辅助对小分子化合物的缩合规律进行探索。期待他们能进一步阐明体内相分离相关组分和结构基础、破译相分离建立、维持和被破坏的密码，解析发育和疾病过程中相分离的动态调控等关键过程。Wendy Bickmore博士
接下来Wendy Bickmore博士介绍了有关远端增强子在3D基因组中的作用。
在发育和分化过程中基因的表达涉及许多顺式调控DNA元件和反式作用蛋白的复杂机制的调控，哺乳动物基因组中存在着拓扑关联域 (topologically associating domains，TAD)。这些区域是通过内聚素驱动的环挤压过程形成，其范围通过方向依赖性 CTCF 结合限制在 TAD 边界。根据目前的研究结果，大部分发育相关基因的调控途径常与TAD相关，导致假设 TAD与环挤压对于增强子作用于其同源基因很重要。然而，这样的假设很难解释 TAD 的实验破坏或环挤出本身对基因调控的后果，因为难以区分对增强子驱动的基因表达的直接影响和间接影响。作者近期的工作表明由内聚素介导的环挤压介导的染色质压缩允许基因位于线性基因组中数千碱基之外的调节元件被激活，但内聚素对于基因组上更接近的增强子是可有可无的。
Wendy团队利用了音猬因子(sonic hedgehog，Shh) 调控域模型，研究 TAD 在发育基因调控中的 CTCF 介导功能。Shh作为形态发生素在胚胎发育过程中控制包括大脑、神经管和四肢在内的多种组织的生长和形成。
在作者先前的研究中，他们发现邻近 TAD 中Shh和基因的表达模式不受 CTCF 位点缺失的影响，敲除单个CTCF也不会影响小鼠胚胎的发育，这些结果预示TAD 结构的变化并不一定会干扰增强子功能。
为了检查内聚素损失对合成基因激活的影响，他们使用生长素从 mESCs22 中耗竭SCC1。为了评估在没有粘连蛋白的情况下远端增强子是否仍能激活Shh表达，他们用靶向Shh启动子、SBE2 和 ZRS的 TALE-VP64/-Δ 蛋白转染了 SCC1-AID 细胞。Shh在生长素处理的 SCC1-AID 细胞中通过靶向Shh启动子的 tShh-VP64 被激活。在没有生长素的情况下，在 SCC1-AID 细胞中使用 tSBE2-VP64 和 tZRS-VP64 从远端部位激活Shh 。然而，在生长素处理的 SCC1-AID 细胞中，来自这两个远端位点的合成Shh活化显著减少。这些数据表明，SCC1是其增强子远端激活Shh所必需的。而DNA-FISH 表明在Shh TAD上以约 400kb 间隔测量的探针间距离中值受到 CTCF 退化的适度影响，内聚素（SCC1）损失导致更广泛的分解。相比之下，当 SBE6 被激活剂靶向时，内聚素损失对 Shh 和 SBE6（100kb 外）之间的染色质分解没有影响。
这预示着在转录调控中环挤压的作用很可能是将整个调节域保持在一个紧凑的构象中，从而使得增强子和启动子之间的随机近距离接触能够启动它们之间的分子相互作用，但这个影响范围的大小仍有待后续研究确定。Payel Sen博士
接下来Payel Sen博士介绍了有关利用高通量表观遗传筛选鉴定细胞和机体衰老相关靶点的工作。
大规模双胞胎队列的研究表明寿命大约25%是由遗传决定的，而剩余的因素很可能与表观遗传相关，如何高效鉴定它们就成了有待解决的问题。Payel Sen对与衰老相关的表观遗传因素共进行了多次高通量筛选，其中最近一次利用shRNA包装慢病毒在增值细胞中的多种表观遗传因子进行了敲除筛选，通过测序选出了一百个有助于延缓衰老发生的潜在基因，最终选择p300 蛋白进行后续研究。p300 是一种众所周知的组蛋白乙酰转移酶，在增强子中被招募以沉积 H3K27ac 并激活基因表达。通过ChIP-seq发现一组组蛋白乙酰化标记的蛋白（包括 H3K27ac）在衰老细胞的基因组中强烈富集。而且组蛋白修饰的质谱结果也揭示了衰老细胞中的一般高乙酰化状态，大多数 H3K27ac 峰位于增强子位置。这些新的增强子很可能介导衰老相关基因的转录表达。这项结果表明，在基因组中形成新的调控元件可能是导致机体衰老的一种机制。Victor Corces博士
最后献上精彩报告的是Victor Corces教授，他介绍了非常有趣的有关肥胖表型跨代遗传的工作。
他们使用双酚 A (BPA) 来诱导肥胖表型，该表型可以通过男性和女性生殖系向下传递到 F6 代才消失。在这个过程中，团队使用ATAC-seq检测染色质可及性的方法来识别受 TF 结合的配子基因组中的位点，并将此信息与肥胖的遗传相关联，最终确定了几个包含 CTCF、FOXA1、雌激素受体α (ESR1) 和雄激素受体 (AR) 基序的位点，这些位点存在于肥胖的对照小鼠的 Fto 基因的两个顺式调控元件中。而当携带Fto顺式调控元件中包含 CTCF 和 FOXA1 位点大约300 bp区域缺失的小鼠品系作为亲代暴露于BPA时，就无法将肥胖表型传递给后代。
这项研究表明，环境诱导的配子改变可以在受精后传递给胚胎，并且足够维持引发特定的表型。这样的发现提供了对许多研究的分子机制解释，也表明许多人类疾病所需的大部分缺失的遗传变异可能是表观遗传导致的。嘉宾及主持人圆桌讨论
报告结束后，两位主持人和嘉宾还进行了圆桌讨论，就3D基因结构的研究方向，表观遗传学疗法的实现可能等基因组学的基础和前沿问题进行了非常热烈的深入探讨和意见交流。
自20世纪最后的一个十年开始，人们对于基因在生命进程中的作用的认知愈发清晰，我们把基因视作一个人的“生命之书”。但表观遗传告诉我们，"基因并不是宿命的决定"，实际上表型是由基因组组成、表观遗传调控、环境输入三者间的结合而造就。这些对表观遗传的研究一方面为我们探寻生命发育，病变，衰老的奥秘提供了帮助，另一方面也推动着个人化的精准药物的研发，相信未来伴随人类对于表观遗传学过程的了解，人类对自然规律的探索，对精彩生活的体验将更少受生老病死的影响，更坦然的向无限浩瀚的遥远星空进发。
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