[論文レビュー] Transcription-dependent spatial organization of a gene locus

Lev Barinov, Sergey Ryabichko+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2020

Genomics and Chromatin Dynamics被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、ショウジョウバエの even-skipped (eve) ローカスにおける転写活性が染色体構造の解集合を引き起こすことを明らかにした。活性化されたエンハンサー・プロモーター対は、転写活性が存在しても一貫して約150–250 nmの空間的隔たりを保っている。超解像イメージングとゲノム操作を用いて、著者らは物理的距離、特にエンハンサーとプロモーター間の距離が転写出力と強く相関していることを示した一方で、トポロジカル境界（例：homieインスレーター）はエンハンサー・プロモーター機能にとって不要であることを示した。

ABSTRACT

There is growing appreciation that gene function is connected to the dynamic structure of the chromosome. Here we explore the interplay between three-dimensional structure and transcriptional activity at the single cell level. We show that inactive loci are spatially more compact than active ones, and that within active loci the enhancer driving transcription is closest to the promoter. On the other hand, even this shortest distance is too long to support direct physical contact between the enhancer-promoter pair when the locus is transcriptionally active. Artificial manipulation of genomic separations between enhancers and the promoter produces changes in physical distance and transcriptional activity, recapitulating the correlation seen in wild-type embryos, but disruption of topological domain boundaries has no effect. Our results suggest a complex interdependence between transcription and the spatial organization of cis-regulatory elements.

研究の動機と目的

• 単一細胞レベルにおける3次元染色体構造と転写活性の因果関係を調査すること。
• eve ローカスにおいて、エンハンサーとプロモーターの物理的接近が転写活性化に必要かどうかを特定すること。
• トポロジカルドメイン境界（例：homieインスレーター）がエンハンサー・プロモーター相互作用を組織化する機能的役割を評価すること。
• エンハンサー・プロモーターの接近性かゲノム的距離が転写出力に支配的であるか、相反する報告を解明すること。

提案手法

• 固定されたショウジョウバエのブリストドーム胚において、特定のゲノム領域（プロモーター、エンハンサー、インスレーター）を可視化するために、マルチプレックス化された単分子蛍光標識法（oligopaints）を用いた。
• 25 nm未満の精度を持つスペクトル符号化局在顕微鏡を用いて、個々の核内における蛍光標識部位間の3次元距離を測定した。
• 触媒的レポーター付加法を併用してネイティブ eve mRNA を検出することで、空間的距離と転写活性を相関させた。
• エンハンサーとプロモーター間のゲノム的距離を変更するための標的的なゲノム欠失を設計し、空間的構造および転写への影響を評価した（例：10 kb の増加）。
• 3′ホミーインスレーター（368 bp）を欠失させて、トポロジカルドメイン境界が空間的および転写的調節に果たす役割を検証した。
• 球体平均体積内での空間的分布解析を用いて、局所的クロマチン密度を評価するための効果的エンハンサー濃度を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 転写活性化は、eve ローカスの3次元空間的構造に測定可能な変化を引き起こすか？
• RQ2 eve ローカスにおける転写活性化には、エンハンサーとプロモーターの物理的接近が必須か？
• RQ3 エンハンサーとプロモーター間のゲノム的距離の変化が、空間的隔たりおよび転写出力に与える影響は何か？
• RQ4 homieインスレーターのようなトポロジカルドメイン境界は、エンハンサー・プロモーター相互作用や転写調節に不可欠か？
• RQ5 活性状態と非活性状態の間に、エンハンサーのプロモーターに対する空間的分布に差異があるか？

主な発見

• 転写的に活性な eve ローカスは、非活性なローカスよりも空間的により解集合しており、エンハンサーとプロモーター間の中央値空間的隔たりは約173 ± 10 nmであった。
• 活性なローカスでさえも、エンハンサー・プロモーター対は通常約150–250 nmの隔たりを保っており、持続的な直接的分子接触には遠すぎる。
• E5エンハンサーとプロモーター間のゲノム的距離を約10 kb だけ増加させたことで、物理的距離が約100 nm増加し、転写活性が40–50％低下した。
• 物理的隔たりが増加するにつれて、プロモーターに対するエンハンサーの効果的濃度は低下し、~200 nm未満ではエンハンサー密度の変化にほとんど感受性を示さない（プラトー状態）ことが示された。
• 3′ホミーインスレーターの欠失は、エンハンサー・プロモーター間の距離や転写出力に変化をもたらさなかった。これは、トポロジカル境界が機能的エンハンサー・プロモーター相互作用に不可欠でないことを示唆している。
• eve ローカスの空間的構造は、特徴的なスケール ~200 nm の球状構造を形成しており、これはクロマチンマイクロ環境または相分離凝集体と整合的である。