人類基因組中的非編碼序列在多種生物學過程中發(fā)揮著至關重要的作用，如非編碼RNA、啟動子、增強子和轉座子等。作為在基因組中占比約98%的非編碼區(qū)域，仍有大量是功能未知的，這些曾被認為是基因組中“垃圾”的區(qū)域，已被逐漸證實存在重要功能?；蚪M的三維結構會影響基因的轉錄調控或其他細胞生命活動，然而，除了研究較多的增強子-啟動子成環(huán)所形成的三維結構在調控基因表達上的作用外，其他大量非編碼序列在形成和維持正確三維染色質結構上是否具有潛在功能，在目前的研究中是被忽視的一個方向。之前有研究表明，改變非編碼序列能夠改變?nèi)旧|結構，如切除一些拓撲結構相關結構域（TAD）的邊界序列能夠導致異常的基因表達，誘發(fā)疾病產(chǎn)生。除了TAD邊界序列這一特殊類型，非編碼序列在結構上的重要性目前還沒有系統(tǒng)性的研究，尤其是一些與TAD無關、無任何表觀遺傳信號或功能元件注釋的區(qū)域。

2021年11月3日，加州大學圣地亞哥分校（UCSD）王巍課題組與北京大學魏文勝教授課題組在Science Advances上聯(lián)合發(fā)表了題為“Noncoding loci without epigenomic signals canbe essential for maintaining global chromatinorganization and cell viability”的研究論文，該研究基于分析得到的能夠形成大量三維互作的非編碼區(qū)域hub，通過CRISPR/Cas9系統(tǒng)對非編碼hub位點進行靶向片段刪除進而進行高通量功能性篩選，發(fā)現(xiàn)了一些不包含任何表觀遺傳標記的位點能夠顯著影響細胞生長和存活，并對于穩(wěn)定全局染色質結構至關重要。

該研究基于來源于7個人類正常細胞系和癌細胞系中的5-kb分辨率的Hi-C數(shù)據(jù)（Rao et al. Cell2014），將其中顯著的染色體內(nèi)互作對整合為片段互作網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)了其中與維持染色體三維結構至關重要的互作中心位點hub。這些位點聚集于異染色質區(qū)域，染色質開放性較低，且與已注釋位點（包括蛋白編碼基因和非編碼RNA等）重合性較少（圖1A-B）。為了探究hub位點是否對于穩(wěn)定染色質結構具有重要作用，該研究基于實驗室建立的CRISPR/Cas9系統(tǒng)介導的pgRNA片段刪除策略（Zhuetal. Nature Biotechnology 2016），在K562細胞中對其中960個非編碼hub位點進行高通量功能性篩選，發(fā)現(xiàn)了35個影響細胞存活或增殖的重要功能區(qū)（圖1C）。其中，hub_22_7（chr22:17,325,000-17,330,000, hg19）位點的切除能夠在K562細胞系中導致顯著的細胞死亡或細胞生長抑制，而不影響其他多種癌細胞（圖1D）。

圖1 hub位點的發(fā)現(xiàn)及高通量功能性篩選

篩選得到的hub位點不與任何蛋白編碼基因、非編碼RNA和TAD有重疊，其中77.1%（27/35）無任何組蛋白修飾或轉錄因子結合位點，包括hub_22_7位點（圖2A）。相比于切除基因組安全位點AAVS1，Hi-C分析表明該位點的切除會在多個染色體上產(chǎn)生大范圍染色質結構的變化。單細胞測序進一步發(fā)現(xiàn)，該hub位點的切除會激活一系列細胞凋亡相關基因的表達，改變同一染色體上遠端區(qū)域多個與細胞存活相關基因如THOC5的表達，結合Hi-C數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其增強子與啟動子的互作發(fā)生破壞（圖2B-D）。由此表明，hub位點的破壞所誘導產(chǎn)生的染色質結構改變能夠影響遠端基因的轉錄調控，進而影響細胞功能。該研究首次揭示了無任何表觀遺傳信號的非編碼位點能夠穩(wěn)定染色質三維結構并維持細胞存活，通過對這類hub位點的發(fā)現(xiàn)、篩選與功能解析，將進一步豐富對基因組非編碼區(qū)域的功能闡述以及揭示其在維持三維基因組結構中的重要作用。

圖2 hub位點切除導致染色質三維結構和基因表達的同時改變

加州大學圣地亞哥分校丁博博士，北京大學劉瑩博士、劉志恒博士和加州大學圣地亞哥分校的博士生鄭麗娜為該論文的共同第一作者，加州大學圣地亞哥分校王巍教授和魏文勝為論文共同通訊作者。該研究項目得到了加州再生醫(yī)學研究所（CIRM）、美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）、國家自然科學基金、北京市科委生命科學前沿創(chuàng)新培育項目、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、北大-清華生命科學聯(lián)合中心以及中國博士后科學基金的支持。

來源：北京大學