安诺ATAC两连发!重编程领域新进展!
2019.09.05

说到ATAC-seq,近几年可谓是表观组学研究领域的“新宠”,更与Hi-C、ChIP-seq等技术默契配合,频频打出漂亮的“组合拳”,亮相于各大顶级期刊。辣么问题来了,什么是ATAC?TA到底能做什么?今天我们以两篇文章来跟大家分享一下ATAC-seq在重编程方向的应用及研究进展。

ATAC-seq是使用高通量测序对Tn5转座酶可接近性染色质区域进行测序分析的一种表观遗传学研究技术。


第一篇

染色体重塑调控蛋白Arid1a介导肝细胞对肝损伤YAP信号做出响应


文章名称:A Homeostatic Arid1a-Dependent Permissive Chromatin State Licenses Hepatocyte Responsiveness to Liver-Injury-Associated YAP Signaling

发表单位:中科院分子细胞科学卓越创新中心、中科院上海营养与健康研究所

期刊Cell Stem Cell

发表时间:2019年7月

IF21.464


研究介绍

本研究发现,染色体重塑调控蛋白Arid1a介导肝细胞重编程相关基因在正常肝细胞中保持开放,使肝细胞具有响应损伤诱导YAP信号而激活重编程基因转录的潜能,揭示了肝细胞去分化及保持可塑性的分子基础。

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Arid1a调控损伤诱导的肝细胞重编程


研究结果


1.依赖Arid1a的LPLCs形成有助于肝损伤再生


肝细胞向肝祖样细胞(LPLCs)的转化被认为是肝脏再生的重要机制,自发现以来受到广泛关注。本研究发现Arid1a蛋白在肝损伤后的LPLCs转化中起重要作用。敲除Arid1a会抑制肝细胞重编程,导致肝脏损伤再生的缺陷,进一步说明肝细胞重编程对Arid1a具有高度依赖性。


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Arid1a缺失在损伤前及损伤后的恢复情况[1](左、右)


2.Arid1a通过染色质重塑控制LPLCs的形成
为了解Arid1a如何在调控LPLCs形成,本研究进行了ATAC-seq及ChIP-seq。研究者将ATAC-seq峰与已发表的肝细胞Arid1a ChIP-seq数据进行联合分析,重点关注Arid1a直接结合位点周边的LPLCs富集基因(在LPLCs中出现mRNA水平富集的基因)受到了哪些影响。



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Arid1a敲除后开放性发生变化的区域(上图Group 1)包含大量LPLCs富集基因[1]


RNA-seq结果显示,LPLCs富集基因在DDC损伤的Arid1a-KO小鼠肝脏中表达较野生型显著降低,qPCR和免疫染色证实了这一结论。这些结果表明,Arid1a控制着关键的LPLCs富集基因的染色质可接近性,从而影响到这些基因的表达水平。
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Arid1a开放的LPLCs富集基因整体(左)及部分关键基因(右)在KO小鼠中表达降低[1]


3.Arid1a介导的染色质开放状态使肝细胞Hippo/YAP信号通路调控
研究发现,在与LPLCs转化相关的通路中,Arid1a开放的LPLCs富集基因在Hippo/YAP通路富集程度最高。当特异性分析Arid1a开放的LPLCs富集基因时,发现23.1% Arid1a结合的染色质可被Yap共结合。


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肝细胞ATAC-seq和Yap ChIP-seq检测[1]


在DDC损伤Arid1a-KO小鼠肝细胞中,发现Yap结合显著减少。这些数据表明,Arid1a通过赋予肝细胞重编程基因染色质开放状态,促进LPLCs富集基因损伤后Yap介导转录,从而提供了肝细胞在损伤后响应再生信号能力的分子基础。


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Yap结合情况ChIP-qPCR验证(左)及Yap-Arid1a共结合LPLCs富集基因的表达水平变化(右)[1] 


4.Arid1a赋予肝细胞在体内对Yap诱导的LPLCs形成作出反应的关键能力
通过转座子系统,研究者建立了Yap诱导的LPLCs模型,结果显示,在YapS127A过表达8周和12周时,可检测到由肝细胞诱导产生、带有肝祖细胞标志物的细胞群体(Hnf4a+Sox9+)。Arid1a的缺失组与对照组小鼠相比,Yap+Sox9+细胞数量显著降低。综上所述,Arid1a赋予肝细胞在体内对Yap信号作出反应、诱导形成LPLCs的关键能力。


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Arid1a促进Yap在体内LPLCs形成[1](上、下)


研究结论

该研究中,科研人员发现负责染色体重塑调控的蛋白Arid1a特异调控肝细胞重编程。在肝细胞中敲除Arid1a,会抑制肝门静脉周边损伤所诱导的肝细胞去分化,导致肝脏损伤修复出现缺陷。进一步通过对分子机制的探索发现,Arid1a通过调控肝细胞重编程相关基因在正常肝细胞中保持开放,帮助肝脏损伤活化的转录因子Yap结合这些基因,激活肝细胞重编程相关基因表达,进而促进肝细胞去分化形成LPLCs。这一研究揭示了损伤再生中肝细胞可塑性的分子基础。


第二篇

通过POU因子多能性重编程揭示Oct4Sox2时态依赖性


章名称:Pluripotency reprogramming by competent and incompetent POU factors uncovers temporal dependency for Oct4 and Sox2

发表单位:中国科学院广州生物医药与健康研究院

期刊:Nature Communications

发表时间:2019年8月

IF:11.878


研究介绍

本研究揭示了转录因子诱导的体细胞多能性重编程的起始分子机制,阐明了多能性重编程对Oct4和Sox2的时态依赖性,为再生医学和诱导多能干细胞的研究提供新的理论模型。

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在体细胞重编程的不同阶段,Oct4的作用模型[2]


研究结果

1.Sox2通过Oct4促进染色质开放
研究者利用不同因子组合进行多能干细胞诱导实验,并利用ATAC-seq结合ChIP-seq检查细胞染色质不同区域的开放状态变化。对比Sox2和Oct4的结合位点开放新变化,研究者发现单独Sox2结合位点开放性提升要明显高于单独Oct4结合位点,而在两者共结合位点开放性提升最大。由此看来,Sox2可单独促进染色质的开放,但Oct4对开放性的改变作用有限,可配合Sox2增加染色质开放性。


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Sox2促使染色质开放性提高,Oct4增强此过程[2]


2.Oct4defSox2示与Oct4驱动重新编程相关的作用模式
Oct4在重编程的第1天和第5天只与一小部分活性ESC增强子结合,这说明Oct4不参与多能性基因定位,也是iPSC产生较慢、效率较低的原因。突变体Oct4defSox2的结合谱类似于Oct4,但在Oct4/Sox2复合物偏好的SoxOct motif上结合弱于Oct4。在重新编程开始时,Oct4defSox2可以占据许多类似于Oct4结合位点的基因组位置进行调控,并显示与Oct4所驱动的重新编程类似的作用模式。但Oct4defSox2无法与Sox2结合,最终将无法诱导细胞多能性,Oct4则在重新编程后期发挥重要作用。


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ChIP-seq展示Oct4、Oct4defSox2同家族Oct6各自的结合位点[2]


3.Oct4/Sox2异质二聚体在诱导多能性方面比维持多能性更为重要
多能性信号网络的激活依赖于Oct4/Sox2异源二聚体的共同作用,而Oct4本身具备维持染色质开放状态的功能。虽然Oct4defSox2不能诱导多能性,但仍保留了维持多能性的能力。综上来看,Oct4/Sox2二聚体在诱导多能性方面比维持多能性更为重要,是诱导细胞多能性过程中必不可少的。


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不同motif的ATAC峰开放性变化(左)及不同因子结合位点的开放性信号比较(右)[2]


研究结论

在重编程起始阶段,Sox2“唤醒”体细胞中处于沉默状态的多能性基因。Oct4在这一阶段对染色质开放性的影响较小,扮演着可有可无的角色。然而,为了最终打开相关的基因网络以建立细胞多能性,Sox2和Oct4需要紧密合作,共同完成这项工作。在重编程后期,Oct4逐渐起主导作用。一旦细胞变成多能干细胞,多能性的维持对Oct4/Sox2复合物依赖性会大大降低。


这些发现解答了多能性重编程研究领域的一些争议问题,为改造Sox2、Oct4及其他相关因子以更快速、高效、可靠地进行细胞重编程提供方向,为推动干细胞和再生医学的临床应用提供助力。



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参考文献:

[1] Weiping Li,et al. A homeostatic Arid1a-dependent permissive chromatin state licenses hepatocyte responsiveness to liver-injury-associated YAP signalings[J]. Cell Stem Cell, 2019.

[2] Vikas Malik,et al. Pluripotency reprogramming by competent and incompetent POU factors uncovers temporal dependency for Oct4 and Sox2[J]. Nature Communications, 2019.



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