[논문 리뷰] Transcription-dependent spatial organization of a gene locus

Lev Barinov, Sergey Ryabichko외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 31.

Genomics and Chromatin Dynamics인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 곤충 even-skipped (eve) 유전자 위치에서 전사 활성이 염색체 구조의 분해결을 유도함을 밝혀내며, 활성화된 에너지 조절 요소-프로모터 쌍이 전사 활성에도 불구하고 일관되게 약 ~150–250 nm의 공간적 거리를 유지함을 보여준다. 초해상도 영상 분석과 게놈 편집을 통해 저자들은 물리적 거리—특히 에너지 조절 요소와 프로모터 사이의 거리—가 전사 출력과 강하게 상관되며, homie 절단소와 같은 상위 구조 경계는 에너지 조절 요소-프로모터 기능에 필수적이지 않음을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일세포 수준에서 3차원 염색체 구조와 전사 활성 간의 인과관계를 조사하기 위해.
• eve 유전자 위치에서 에너지 조절 요소와 프로모터 간의 물리적 근접이 전사 활성화에 필수적인지 확인하기 위해.
• 상위 구조 도메인 경계(예: homie 절단소)가 에너지 조절 요소-프로모터 상호작용을 조직화하는 데 기여하는 기능적 역할을 평가하기 위해.
• 에너지 조절 요소-프로모터 근접성 또는 게놈 거리가 전사 출력을 지배하는지에 대한 모순된 보고를 해결하기 위해.

제안 방법

• 고정된 곤충 블라스토드름 배아에서 특정 게놈 위치(프로모터, 에너지 조절 요소, 절단소)를 시각화하기 위해 다중 복합 단일 분자 형광 라벨링(oligopaints)을 사용하였다.
• 25 nm 이내의 정밀도를 갖는 스펙트르로 코딩된 국소화 현미경을 사용하여 개별 세포핵 내에서 형광으로 라벨된 위치 간의 3차원 거리를 측정하였다.
• 촉매된 보고자 침착을 통한 나선형 eve mRNA 동시 검출을 통해 공간적 거리와 전사 활성도를 상관 분석하였다.
• 에너지 조절 요소와 프로모터 간의 게놈 거리를 조작(예: 10 kb 증가)하기 위해 표적 유전자 삭제를 설계하여 공간 구조 및 전사에 미치는 영향을 평가하였다.
• 3′ homie 절단소(368 bp)를 삭제하여 상위 구조 도메인 경계가 공간적 및 전사 조절에 기여하는지 테스트하였다.
• 공간 분포 분석을 통해 구형 평균 부피 내에서의 효과적 에너지 조절 요소 농도를 측정하여 국소 염색체 조밀도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전사 활성화가 eve 유전자 위치의 3차원 공간 구조에 측정 가능한 변화를 유도하는가?
• RQ2 eve 유전자 위치에서 전사 활성화에 있어 에너지 조절 요소와 프로모터 간의 물리적 근접이 필수적인가?
• RQ3 에너지 조절 요소와 프로모터 간의 게놈 거리 변화가 공간 분리와 전사 출력에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 homie 절단소와 같은 상위 구조 경계는 에너지 조절 요소-프로모터 상호작용 또는 전사 조절에 필수적인가?
• RQ5 활성 전사 상태와 비활성 전사 상태 간에 에너지 조절 요소가 프로모터에 비해 공간적으로 어떻게 분포하는가?

주요 결과

• 전사적으로 활성화된 eve 유전자 위치는 비활성 위치보다 공간적으로 더 분해결되어 있으며, 에너지 조절 요소와 프로모터 간의 중앙값 공간 거리는 약 ~173 ± 10 nm이다.
• 조금이라도 활성화된 위치에서도 에너지 조절 요소-프로모터 쌍은 일반적으로 약 ~150–250 nm 정도 떨어져 있어 지속적인 직접 분자 접촉에는 부적합하다.
• E5 에너지 조절 요소와 프로모터 간의 게놈 거리를 약 10 kb 증가시킨 결과 물리적 거리는 약 100 nm 증가했고, 전사 활성이 40–50% 감소하였다.
• 에너지 조절 요소의 효과적 농도는 물리적 거리가 증가함에 따라 감소하며, ~200 nm 이하에서는 농도가 포화 상태에 도달하여 소규모 거리 변화에 민감하지 않음을 보여주었다.
• 3′ homie 절단소를 삭제해도 에너지 조절 요소-프로모터 간 거리나 전사 출력에 변화가 없었으며, 이는 상위 구조 경계가 功能적 에너지 조절 요소-프로모터 상호작용에 필수적이지 않음을 시사한다.
• eve 유전자 위치의 공간 구조는 특징적인 척도 약 ~200 nm를 갖는 구형 구조를 이루며, 염색체 미세 환경 또는 계면도 상피 농축체와 일치하는 것으로 나타났다.