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备注： 1）MBT：midblastula transition 2）ZGA：zygotic genome activation；MBT和ZGA都发生在cycles 9和13间的分裂期 3）cellularization：发生在14th cleavage cycle 4）PRE：PcG binding sites 5）TADs：topologically associating domains 1：果蝇早期胚胎发育过程中，基因组/染色质的结构逐渐形成，并且对发育过程至关重要 果蝇受精卵形成后的发育过程中，按照时间顺序分别取样、进行Hi-C测序，发现： 1）合子形成初期，即cycles1-8，ZGA过程开始，染色质呈现松散的结构，并未形成结构区分（Fig.1A）； 2）随后在cycles9-13，即进入MBT，染色质出现较长距离上的相互作用（Fig.1A）； 3）接下来在cycle14，即MBT结束，合子基因大规模转录，与此同时染色质间相互作用和TAD结构形成（Fig.1A）; 4）最终在stage16即胚胎发育结束时，TAD结构更加明显，并且染色质3D结构水平上的相互作用也开始进行（Fig.1A）。 进一步分析结构，发现早在cycle 14时，PcG结构区分尚未明确；而stage 16时，激活型和抑制型区域已经划分明显（Fig.1B）。接下来研究者分析了两个基因Bsg25A和Slam；这两个基因都在ZGA过程中转录，并且位于不同的TADs上，距离为1.685M（Fig.1C）。DNA FISH分析证实了相对于cycle 9（分裂间期），在cycle 13早期时存在一个染色质loop，并且在cycle 14有丝分裂期消失（Fig.1C）。此外，研究者发现Zelda (Zld)转录因子是这一过程中核心的调控蛋白，能够影响胚胎早期发育过程中基因组的组织（Fig.1D-E）。 Figure 1 2：激活型染色质loops 染色质loop能够起到激活和抑制两种功能，这其中抑制型功能主要标记就是H3K27me3，即PcG（Fig.2A）。这些polycomb区域内的loops在MBT后才会出现，并一直维持到胚胎发育后期如stage 16（Fig.2A）。有趣的是，空间位置位于同一个loop中的基因表达时空也会相似：例如salm和salr基因同样位于spalt locus，salm表达在cycle 14时期体轴前端，此时两个基因之间的空间距离要大于二者都沉默的时期（Fig.2B）。通过ChIP筛选不同因子在这些PcG loops上的结合，研究者发现了主要的结合和促进loop功能的蛋白以及因子，包括PcG蛋白和GAGA factor（Fig.2C），并且GAGA factor是基因组结构组装中核心关键因子（Fig.2D）。 Figure 2 3：抑制型染色质loops的形成必需PREs dachshund (dac)基因上面包含两个PREs，以此为中心会形成长达100 kb被H3K27me3修饰的区段（Fig.3A-C）。有趣的是，将这两个PREs中的任何一个切除，都会导致染色质附近结构变松散（Fig.3D），证明了PREs对于结构的维持至关重要。 Figure 3 3：PREs变化会影响染色质结构以及重要元件的结合 通过ChIP分析，发现单独突变其中一个PRE1或者PRE2，并不能改变另一个PREs上PRC1、PSC以及GAGA factor的结合（Fig.4A）。有趣的是，PRE2的缺失对H3K27me3以及PRC2结合的影响更大（Fig.4B-C）。并且同时突变两个PREs影响也会更显著（Fig.4B-C）。 Figure 4 4：PREs缺失影响染色质结构和稳定 已知这两个PREs所处位置的基因dac能够调控果蝇胚胎发育过程中近体轴-远体轴发育，比如附肢形态。PRE2以及PRE1+2双突变都会导致近-远轴发育异常，类似lac过表达的表型（Fig.5A-B）。考虑到PREs与PcG蛋白共同作用，PRE1突变的基础上进一步敲除PH410就会得到类似的表型，即加重表型（Fig.5C）。 Figure 5 GAGA factor突变会导致PRE2无法与PcG蛋白结合，从而影响其功能（Fig.6A-B）。通过在两个PREs之间添加一段gypsy序列破坏PREs loops的形成，并不会影响PREs招募PcG蛋白、从而H3K27me3修饰，因此H3K27ac水平也相应无明显变化（Fig.6B-E）。在果蝇中突变GAGA，会产生类似于PREs突变类似的表型（Fig.7A），并且也会被Ph410突变进一步加强（Fig.7B）。同样的，虽然直接添加gypsy序列也类似于敲除PRE1看不到表型，然而叠加Ph410突变后就会出现类似表型（Fig.7A-B）。以上结果证明PREs loops对于正常的染色体结构、和基因表达及功能至关重要。 Figure 6 Figure 7 小 结 本文从分子机制、动物表型等多个水平上，揭示了早期果蝇胚胎发育过程中的染色质结构以及组蛋白修饰变化，并分析了其中关键调节蛋白、以及元件变化引起的结构、基因表达以及表型变化，证实了PREs以及相关调控对于早期胚胎发育的重要作用。 本文来源： |
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