鸡卵泡发育过程中染色质空间结构变化介导的基因转录调控

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家禽卵泡发育是一个复杂的生物学过程,大量功能基因的特定时空表达精确地调控其发展的进程。高通量染色体构象捕获技术(high-througnput chromosome conformation capture,Hi-C)的出现,使得人们可以从三维基因组角度研究机体发育过程中染色质的结构变化。研究发现,高阶染色质空间结构已经成为基因表达的重要调控因素,但其在卵泡发育过程中的变化仍然未知。本研究以芦花蛋鸡产蛋高峰期卵巢内10个发育阶段(等级前阶段:SWF、LWF、SYF、LYF,等级阶段:F5、F4、F3、F2、F1和排卵后阶段:POF)的卵泡颗粒细胞为研究对象,通过转录组测序筛选出鸡卵泡发育过程中m RNAs和mi RNAs的时空特异性表达谱,构建了m RNA-mi RNA时间序列调控网络,并根据转录组阶段特异性基因表达和差异基因结果选择SWF、F1和POF三个阶段进行Hi-C建库测序,通过绘制不同发育阶段卵泡颗粒细胞的染色质三维互作图谱,探究染色质区室(compartment A/B)、拓扑关联结构域(TAD)和启动子-增强子互作(promoter-enhancer interaction,PEI)与基因表达调控的关系,并通过功能基因集分析,解析染色质空间结构在卵泡发育过程中的动态变化。主要研究结果如下:1)在鸡卵泡发育过程中,等级前和等级阶段内部相邻时间点颗粒细胞的m RNA表达谱差异较小,但三个大阶段之间则区分明显,SWF、F1和POF阶段中top 100的特异性基因数目最多。10个阶段mi RNA的表达谱能够被明显划分为等级前卵泡、等级卵泡和排卵后卵泡三大阶段,其中gga-mi R-148a-3p的表达丰度在各个阶段都为最高且随发育阶段呈现显著的动态变化;2)maSigPro长时间序列分析显示,在10个阶段的m RNA和mi RNA表达谱中都鉴定得到4个随时间序列显著变化的模块(clusters),并以此构建了时间序列mi RNA-m RNA靶向调控网络,功能富集分析显示出时序表达m RNA和mi RNA在卵泡发育过程中功能的联系与差异;3)鸡卵泡发育各个阶段的compartment A和B的比例大致相等,但36%的compartment在卵泡发育过程中发生了A/B转变(A/B switch),并且这种改变对于基因表达不起主要作用,只是适度的或者是一小部分基因的表达受到影响;4)每个样本总共鉴定到的TAD约为2000个左右,TAD平均大小为465 kb,占据基因组的84.75%以上。超过98%的TAD边界(boundary)在发育过程中稳定而保守存在,而在阶段特异性变化的boundary中,获得boundary有利于基因表达升高,而丢失boundary则使基因表达出现一定水平的下降,并且TAD内部的互作强度与基因的表达呈正相关;5)颗粒细胞中增强子(enhancer)个数与基因表达呈显著的正相关,其对基因的表达具有加性效应。不同阶段表达潜力值(RP)特异性基因与卵泡发育时期的相应生物学功能相匹配;6)染色质3D模型结构显示,大染色体(如1、2、3号染色体)位于细胞核外围,小染色体更集中在细胞核中心附近(如22、23、24、25、27号染色体),并且染色质区室和基因表达水平与相对核位置有关。综上所述,通过转录组测序及Hi-C的联合分析,我们发现在鸡卵泡发育的过程中,颗粒细胞染色质不同层次的空间结构发生了较为明显的变化,这种由局部构象的改变而导致的互作扰动使得基因的远端调控元件enhancer个数增加或减少,从而引起基因的表达改变。此研究从三维基因组学角度解析了鸡卵泡发育的动态过程,为基因的表达调控研究提供了新的见解。
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