如何通過(guò)CHIP-seq分析鑒別基因啟動(dòng)子和增強子

日期：2018-11-15 標簽：CHIP-seq,啟動(dòng)子,增強子

染色體一個(gè)核小體由兩個(gè)H2A，兩個(gè)H2B，兩個(gè)H3，兩個(gè)H4組成的組蛋白八聚體和147bp纏繞在外面的DNA組成。組蛋白有很多修飾形式，包括組蛋白末端的乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化、ADP核糖基化等等，這些修飾都會(huì )影響基因的轉錄活性。而組蛋白H3是修飾最多的組蛋白。

      組蛋白甲基化和乙?；饕l(fā)生在它們的N-末端尾部并且可以影響基因的轉錄。大量研究表明，組蛋白乙?；饕c基因激活有關(guān)，而甲基化取決于其位置和狀態(tài)，與抑制或激活有關(guān)。組蛋白乙?；饕l(fā)生在H3、H4的N端比較保守的賴(lài)氨酸位置上，是由組蛋白乙酰轉移酶和組蛋白去乙?；竻f(xié)調進(jìn)行。特定基因部位的組蛋白乙?；腿ヒ阴；且砸环N非隨機的、位置特異的方式進(jìn)行。乙?；赡芡ㄟ^(guò)對組蛋白電荷以及相互作用蛋白的影響，來(lái)調節基因轉錄。

Figure 1 Readers of histone PTMs. Recognition of the methylated(me) lysine, methylated (me) arginine, acetylated (ac) lysine and phosphorylated (ph) serine and threonine residues of the N-terminal histone H3 tail by indicated readers.

圖片來(lái)源：Perceiving the epigenetic landscape through histone readers. Nat Struct Mol Biol, 19, 1218-1227. E.L.Greer, and Y.Shi (2012)

組蛋白甲基化的位點(diǎn)是賴(lài)氨酸和精氨酸。賴(lài)氨酸可以分別被一、二、三甲基化，精氨酸只能被一、二甲基化。研究表明，組蛋白精氨酸甲基化是一種相對動(dòng)態(tài)的標記，精氨酸甲基化與基因激活相關(guān)。相反，賴(lài)氨酸甲基化似乎是基因表達調控中一種較為穩定的標記。例如，H3第4位（H3K4）的賴(lài)氨酸殘基甲基化與基因激活相關(guān)，而第9位和第27位賴(lài)氨酸（H3K9，H3K27）單甲基化與基因激活有關(guān)，三甲基化與基因沉默相關(guān)。

基因組包含大量的非編碼DNA調控元件，包括沉默子、絕緣子、啟動(dòng)子和增強子，在基因表達中起重要作用。啟動(dòng)子是RNA 聚合酶識別、結合和開(kāi)始轉錄的一段DNA 序列，它含有RNA 聚合酶特異性結合和轉錄起始所需的保守序列，一般位于轉錄起始位點(diǎn)的上游。增強子是指能夠使基因轉錄頻率明顯增加的 DNA序列，是關(guān)鍵的調控元件，可以影響基因轉錄，而與其方向或距離無(wú)關(guān)，增強子通?？梢赃h離其調節目標數千個(gè)堿基對。增強子有別于啟動(dòng)子處有兩點(diǎn):[1]增強子對于啟動(dòng)子的位置不固定，而能有很大的變動(dòng);[2]它能在兩個(gè)方向產(chǎn)生相互作用。一個(gè)增強子并不限于促進(jìn)某一特殊啟動(dòng)子的轉錄，它能刺激在它附近的任一啟動(dòng)子。

組蛋白修飾能預測染色質(zhì)的類(lèi)型（異染色質(zhì)或常染色質(zhì)）、區分基因組功能元件（啟動(dòng)子、增強子、基因主體）以及檢測決定這些元件處于活性狀態(tài)或是抑制狀態(tài)。例如H3K4me2和H3K4me3修飾大多數富集在轉錄起始位點(diǎn)附近的啟動(dòng)子上激活基因表達，而H3K27me2和H3K27me3與基因抑制相關(guān)。

因此可通過(guò)CHIP-seq分析組蛋白修飾的分布尋找基因的啟動(dòng)子區和增強子區域及其是激活或抑制基因表達。

H3K4me1可作為增強子的標志，H3K4me3作為啟動(dòng)子標志。研究表明，H3K4me1和H3K4me3與基因激活相關(guān)，H3K4me3主要富集在轉錄起始位點(diǎn)附近的啟動(dòng)子區域，而大多數H3K4me1修飾富集在增強子區域；H3K27ac與基因激活相關(guān)，主要富集在增強子和啟動(dòng)子區域，當增強子區只有H3K4me1修飾富集時(shí)，該增強子處于平衡狀態(tài)，而當增強子區域同時(shí)富集H3K4me1和H3K27ac修飾時(shí)，該增強子就處于激活狀態(tài)促進(jìn)基因表達；H3K27的甲基化是可逆的過(guò)程，H3K27me1顯示出對轉錄具有正向影響,啟動(dòng)子區域的H3K27me3甲基化修飾時(shí)抑制基因的轉錄,而H3K27me2廣泛分布并且在沉默非細胞類(lèi)型特異性增強子中起作用。

下表為常見(jiàn)的組蛋白修飾的主要分布及功能：

異染色質(zhì)是染色質(zhì)的濃縮，轉錄無(wú)活性狀態(tài)，H3K9甲基化是異染色質(zhì)的標志。H3K27me1和H3K9me3存在于著(zhù)絲粒異染色質(zhì)區域，而H3K27me3和H3K9me2共同存在于抑制的常染色質(zhì)區域中。H3K9ac也與H3K14ac和H3K4me3高度共存共同作為活性基因啟動(dòng)子的標志。

Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental state. Creyghton, M.P. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 21931–21936 (2010)

圖注：A、使用ChIP-Seq鑒定的遠端H3K4me1組蛋白標記鑒定了鼠ES細胞中的細胞類(lèi)型特異性增強子：基于H3K4me1富集和非H3K4me3富集的的熱圖選出25,036個(gè)推定增強子。B、缺乏H3K27ac富集的增強子近端基因與平均增強子近端基因相比表現出較低的表達水平，表明H3K27ac是區分活性和平衡增強子狀態(tài)的良好標志。C、選擇富含H3K27ac的增強子使用先前發(fā)表的小RNA-Seq數據集檢測這些短RNA表達與富含H3K27ac的增強子的關(guān)系，發(fā)現這些短RNA確實(shí)從H3K27ac陽(yáng)性增強子轉錄。這再次支持H3K27ac是活性增強子元素的確定性因子。

圖注：使富含H3K4me1的遠端區域的鄰近基因活性增強是H3K27ac的功能。A、顯示顯示組織特異性分布的四種指定細胞/組織類(lèi)型中增強子峰周?chē)乃那A基對H3K27ac富集的染色質(zhì)狀態(tài)（下圖）；B、A中所示的H3K27富集區域的相關(guān)性分析，近端基因的活性與所有成體組織中的遠端H3K27ac富集正相關(guān)；C、成年肝臟的微陣列數據的基因表達，顯示所有基因（全部）和發(fā)現與肝臟增強子特異性相關(guān)的基因的增強子富集（+）或未富集（ - ）的H3K4me1或H3K27ac的基因表達。

圖注：神經(jīng)糖蛋白是在ES細胞中具有平衡的增強子，其在神經(jīng)祖細胞中變得活躍的基因?；蚋橦3K4me1（綠色，頂部），H3K27ac（紅色，中部）和H3K4me3（黑色，底部）在Neuroglycan C基因的20,792 bp大區域的富集。這些數據表明當細胞切換發(fā)育狀態(tài)并且H3K27ac可用于區分兩種增強子狀態(tài)時(shí)，增強子通過(guò)激活平衡增強子在細胞分化中發(fā)揮確定性作用。