ATAC-seq开启新视角：探索Shox2基因沙漠的神秘功能

2024年7月，发表在《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，综合运用多种前沿技术，揭示了基因沙漠在调控Shox2基因多效性表达、胚胎存活及组织发育中的关键作用。该研究中，ATAC-seq技术发挥了重要作用。它通过检测染色质的可及性，帮助研究人员筛选出在心脏组织中特异性开放的染色质区域，进而定位到Shox2基因沙漠中的心脏特异性增强子（+325）。这一发现不仅明确了基因沙漠中调控心脏 Shox2表达的关键元件，也为解析基因沙漠在心脏发育中的调控机制提供了关键线索，推动了对基因调控网络复杂性的认知。

研究背景

约四分之一的人类基因组由基因沙漠组成，这些区域没有基因，但却常常位于发育基因附近，暗示着它们可能参与基因调控。此前研究表明部分基因沙漠有重要作用，但多数基因沙漠功能仍不明确。Shox2基因对小鼠胚胎发育至关重要，其编码的转录因子影响近端肢体、颅面、心脏起搏器等发育，且人类Shox2相关变异与心脏疾病有关。本研究聚焦于Shox2基因下游的稳定基因沙漠，探究其对基因表达调控及胚胎发育的作用。

技术路线

研究结果

1.研究发现，基因沙漠中存在多个具有组织特异性活性的增强子。通过LacZ转基因报告分析，这些增强子在肢体、颅面、神经和心脏等组织中表现出与Shox2基因表达模式高度重合的活性。这表明基因沙漠中的增强子在调控Shox2基因的多效性表达方面发挥着重要作用。

图1. Shox2基因沙漠是组织特异性增强子的枢纽。

2.利用C-HiC对小鼠胚胎的前肢、下颌骨和心脏组织进行分析，结果显示，Shox2基因沙漠形成了具有组织特异性特征的染色质环。在心脏组织中，存在一个高密度接触域（HCD），它影响着增强子与启动子之间的相互作用。以Shox2转录起始位点为中心，利用v4C分析它与其他元件的接触情况，进一步揭示增强子与启动子之间的远程相互作用。这说明染色质的三维结构在基因调控中起着关键作用，基因沙漠通过塑造特定的染色质环来调控Shox2基因的表达。

图2. 在不同组织中调控Shox2的3D染色质结构。

3.研究人员进一步构建了基因沙漠缺失的小鼠模型，通过整体原位杂交（ISH）、qPCR、免疫荧光（IF）、骨骼染色和μCT技术检测基因表达以及肢体骨骼发育的情况。结果显示基因沙漠缺失导致胚胎致死，心脏窦静脉（SV）中Shox2转录本缺失，同时颅面和近端肢体中Shox2表达也显著降低。这直接证明了基因沙漠对于维持胚胎存活以及调控Shox2在不同组织中的表达量至关重要。

图3. 基因沙漠缺失减少了肢体和颅面隔室中的Shox2。

4.通过ATAC-seq与ChIP-seq联合分析，研究人员在基因沙漠中鉴定出一个关键的心脏增强子（+325）。同时通过双荧光素酶报告实验验证了这个增强子与TBX5转录因子相互作用，维持心脏中Shox2的稳定表达。当这个增强子缺失时，心脏中Shox2的表达量下降，进一步说明了基因沙漠增强子对心脏Shox2表达的重要调控作用。

图4. 基因沙漠介导的心脏Shox2转录调控对胚胎存活至关重要。

5.结合ChIP-seq和4C-seq数据分析，并通过多增强子联合缺失实验，发现基因沙漠中包含多个近端肢体增强子（PLEs），这些增强子在肢体发育过程中相互协作。同时发现基因沙漠缺失会导致肢体骨骼发育异常，Stylopod（肱骨和股骨）严重缩短。这充分表明基因沙漠在肢体形态发生过程中扮演着重要的角色。

图5. 增强子介导的转录稳定性保护心脏中的Shox2。

图6. 基因沙漠编码了一系列具有亚区域特异性的分布于近端肢体的增强子（PLEs）。

Shox2基因沙漠是关键的顺式调控区域，编码一系列组织特异性增强子，协调调控Stylopod 形成、颅面模式形成和心脏起搏器依赖的胚胎发育进程。其增强子的组织特异性和分布模式，以及染色质拓扑结构对理解先天性异常的发病机制具有重要意义，为后续研究提供了理论基础和方向。