ATAC-seq開啟新視角：探索Shox2基因沙漠的神秘功能

瀏覽次數：116　發布日期：2025-4-30　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

2024年7月，發表在《Nature Communications》的一篇文章“A gene desert required for regulatory control of pleiotropic Shox2 expression and embryonic survival”，聚焦Shox2基因下游的基因沙漠，綜合運用多種前沿技術，揭示了基因沙漠在調控Shox2基因多效性表達、胚胎存活及組織發育中的關鍵作用。該研究中，ATAC-seq技術發揮了重要作用。它通過檢測染色質的可及性，幫助研究人員篩選出在心臟組織中特異性開放的染色質區域，進而定位到Shox2基因沙漠中的心臟特異性增強子（+325）。這一發現不僅明確了基因沙漠中調控心臟 Shox2表達的關鍵元件，也為解析基因沙漠在心臟發育中的調控機制提供了關鍵線索，推動了對基因調控網絡復雜性的認知。

研究背景
約四分之一的人類基因組由基因沙漠組成，這些區域沒有基因，但卻常常位于發育基因附近，暗示著它們可能參與基因調控。此前研究表明部分基因沙漠有重要作用，但多數基因沙漠功能仍不明確。Shox2基因對小鼠胚胎發育至關重要，其編碼的轉錄因子影響近端肢體、顱面、心臟起搏器等發育，且人類Shox2相關變異與心臟疾病有關。本研究聚焦于Shox2基因下游的穩定基因沙漠，探究其對基因表達調控及胚胎發育的作用。

技術路線

研究結果
1. 研究發現，基因沙漠中存在多個具有組織特異性活性的增強子。通過LacZ轉基因報告分析，這些增強子在肢體、顱面、神經和心臟等組織中表現出與Shox2基因表達模式高度重合的活性。這表明基因沙漠中的增強子在調控Shox2基因的多效性表達方面發揮著重要作用。

圖1. Shox2基因沙漠是組織特異性增強子的樞紐。

2. 利用C-HiC對小鼠胚胎的前肢、下頜骨和心臟組織進行分析，結果顯示，Shox2基因沙漠形成了具有組織特異性特征的染色質環。在心臟組織中，存在一個高密度接觸域（HCD），它影響著增強子與啟動子之間的相互作用。以Shox2轉錄起始位點為中心，利用v4C分析它與其他元件的接觸情況，進一步揭示增強子與啟動子之間的遠程相互作用。這說明染色質的三維結構在基因調控中起著關鍵作用，基因沙漠通過塑造特定的染色質環來調控Shox2基因的表達。

圖2. 在不同組織中調控Shox2的3D染色質結構。

3. 研究人員進一步構建了基因沙漠缺失的小鼠模型，通過整體原位雜交（ISH）、qPCR、免疫熒光（IF）、骨骼染色和μCT技術檢測基因表達以及肢體骨骼發育的情況。結果顯示基因沙漠缺失導致胚胎致死，心臟竇靜脈（SV）中Shox2轉錄本完全缺失，同時顱面和近端肢體中Shox2表達也顯著降低。這直接證明了基因沙漠對于維持胚胎存活以及調控Shox2在不同組織中的表達量至關重要。

圖3. 基因沙漠缺失減少了肢體和顱面隔室中的Shox2。

4. 通過ATAC-seq與ChIP-seq聯合分析，研究人員在基因沙漠中鑒定出一個關鍵的心臟增強子（+325）。同時通過雙熒光素酶報告實驗驗證了這個增強子與TBX5轉錄因子相互作用，維持心臟中Shox2的穩定表達。當這個增強子缺失時，心臟中Shox2的表達量下降，進一步說明了基因沙漠增強子對心臟Shox2表達的重要調控作用。

圖4. 基因沙漠介導的心臟Shox2轉錄調控對胚胎存活至關重要。

5. 結合ChIP-seq和4C-seq數據分析，并通過多增強子聯合缺失實驗，發現基因沙漠中包含多個近端肢體增強子（PLEs），這些增強子在肢體發育過程中相互協作。同時發現基因沙漠缺失會導致肢體骨骼發育異常，Stylopod（肱骨和股骨）嚴重縮短。這充分表明基因沙漠在肢體形態發生過程中扮演著不可或缺的角色。