DNase I-hypersensitive exons colocalize with promoters and distal regulatory elements

doi:10.1038/ng.2677

.2013年8月；45(8):852-9.

doi:10.1038/ng.2677。 Epub 2013年6月23日。

DNase I超敏外显子与启动子和远端调控元件共定位

蒂姆·R·默瑟¹, 斯泰西·爱德华兹, 迈克尔·B·克拉克, 谢恩·尼弗（Shane J Neph）, 王浩（Hao Wang）, 安德鲁·斯特加奇斯, 萨姆·约翰, 理查德·桑德斯特罗姆, 李国良, Kuljeet S Sandhu公司, 家阮义军, 拉尔斯·K·尼尔森, 约翰·马蒂克, 约翰·A·斯塔马托亚诺波洛斯

附属公司

PMID： 23793028
预防性维修识别码： PMC4405174型
内政部： 10.1038/ng.2677

DNase I超敏外显子与启动子和远端调控元件共定位

蒂姆·R·默瑟等。自然基因. 2013年8月.

.2013年8月；45(8):852-9.

doi:10.1038/ng.2677。 Epub 2013年6月23日。

作者

附属

¹澳大利亚昆士兰布里斯班圣卢西亚昆士兰大学分子生物科学研究所。

PMID： 23793028
预防性维修识别码： PMC4405174型
内政部： 10.1038/ng.2677

摘要

基因的精确剪接给人类基因组带来了巨大的转录复杂性。大多数基因剪接以共转录方式发生，允许表观遗传修饰影响剪接结果。在这里，我们展示了选定的外显子区域是在人类基因组的三维结构中划定的。我们发现一组外显子表现出DNase I超敏反应，并伴有染色质免疫沉淀和测序（ChIP-seq）中的“幻影”信号，这些信号是由与近端启动子或增强子结合因子交联引起的。染色质相互作用分析证实了ChIP-seq对结构特征的捕获，该分析解决了将外显子折叠在同源启动子附近的局部基因内环路，同时排除了插入的内含子序列。外显子与启动子和增强子的这些相互作用丰富了选择性剪接事件，这种效应反映在细胞类型特异性外显子DNase I超敏反应模式中。总之，我们的结果将局部基因组地形、染色质结构和顺调控景观与通过共转录剪接产生的人类转录复杂性联系起来。

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图1
外显子子集表现出DNase I超敏反应。(一)不同基因组区域的部分重叠，DHS峰值与外显子显著重叠(*P（P）*= 8.3 × 10⁻¹⁴,n个=10个单元类型；误差条，s.d.）。(b)与所有外显子相关的DHS外显子DNA酶I裂解阅读的顶部频率分布（两个重复以不同的阴影显示）。利用K562细胞的数据绘制绘图，并参照外显子的3′端或5′端对齐。进行底部匹配的全基因组测序，以识别由于外显子和内含子的重复和信息含量而导致的测序和比对偏差。我们观察到DHS外显子或总外显子几乎没有偏见。灰色背景阴影表示外显子边界。(**c（c）**)DHS峰（黑色；自动标度信号）重叠外显子（灰色；DHS外显子由蓝色虚线框指示）*大众汽车7*在45种细胞类型中显示DNase I敏感性的细胞类型特异性的基因。基因座的相对可映射性如下所示。

图2
ChIP-seq和ChIA-PET联合分析表明，DHS外显子与启动子和远端调控元件相互作用。(一)显示外显子ChIP-seq富集如何指示外显子和启动子的紧密空间定位的示意图。初始甲醛处理将起始前复合物交联到激活的启动子和近端外显子序列（紫色）*SH2D3A型*基因（左，红色虚线圆圈）。在ChIP-seq期间（上图），Pol II起始形式的免疫沉淀（Ser2亚磷酸化）产生与启动子和外显子序列对齐的测序读码（右），导致外显子外显子富集。ChIA-PET（底部）采用额外的连接步骤连接共沉淀启动子和外显子序列。从这些连接性启动子-外显子序列获得的读序列的比对跨越相互作用区域，并证实在*SH2D3A型*外显子是由于外显子在基因组三维结构中与基因启动子上游（右）的紧密空间邻近而产生的。(b)热图显示根据启动子样（P）、增强子样（E）和CTCF和/或凝集素（C）ChIP-seq信号区分DHS外显子的许多转录因子的相对富集。标记框表示下游ChIA-PET验证中使用的蛋白质。RPKM，读每千基百万。(**c（c）**)直方图显示了通过分别与低磷酸化Pol II、H3K4me2（参考文献27）和CTCF共沉淀测定的不同基因组区域与启动子（顶部，蓝色）、增强子（中间，橙色）或粘着蛋白（底部，绿色）位点发生ChIA PET相互作用的频率。DHS外显子显示与启动子的相互作用丰富(*P（P）*=0.0004，Mann-Whitney双尾检验，n个= 4; 误差线，范围），增强器(n个=1）或CTCF和/或凝集素(*P（P）*=0.0005，Mann-Whitney双尾检验，n个= 3; 错误栏、范围）站点。同样，DNase I峰重叠外显子显示与启动子的相互作用丰富(*P（P）*=0.0002，Mann-Whitney双尾检验，n个= 4; 误差线，范围），增强器(n个=1）和CTCF和/或粘结蛋白(*P（P）*=0.028，Mann-Whitney双尾检验，n个= 3; 误差线、范围）相对于总峰值的位置。这些发现证实了DHS外显子与启动子或远端增强子元件之间的相互作用，正如ChIP-seq富集所预期的那样。(d日)基因组浏览器视图显示了启动子（顶部）、增强子（中部）和CTCF和/或凝集素（底部）与外显子相互作用的选定示例，由匹配的ChIP-seq和ChIA-PET确定。DNA酶I敏感性（黑色直方图）和基因组元件和相互作用外显子的额外支持性ChIP-seq富集（彩色直方图。

图3
外显子局部基因组折叠示意图*SPTBN4号机组*基因。(一)显示ChIA-PET相互作用（红色；不透明表示相互作用频率）和启动形式Pol II（Ser2低磷酸化）的ChIP-seq信号（红色直方图）的基因组浏览器视图，其对应于*SPTBN4号机组*该基因带有DHS（红色）和匹配（蓝色）外显子。图中显示了位点的DNase I超敏反应（黑色直方图），以及DHS外显子富集的选定ChIP-seq库（橙色直方图；自动缩放以查看）。虚线框表示相应的外显子。(b)建议的本地结构模型*SPTBN4号机组*根据整合的ChIA-PET、ChIP-seq和DNase I注释解释的基因。*SPTBN4号机组*对DNase I裂解和近端交联（红色，虚线圆圈内）敏感的外显子位于一个转录工厂附近，该转录工厂包含与*STPBN4号机组*核心启动子（黑色箭头）。在转录工厂（橙色圆圈）中还发现了ChIP-seq富集预期的其他蛋白质特征。

图4
3C验证外显子和启动子之间的细胞类型特异性相互作用。(**a–c**)基因启动子和下游含外显子的HindIII片段的3C相互作用谱*凸轮2G*(一),*MGRN1号机组*(b)以及*高压校准1*(**c（c）**)基因(n个=每种细胞类型3个复制库；误差条，s.d.）。对于每个基因，显示了MCF-7（顶部红色直方图）和K562（底部橙色直方图）细胞的ChIA-PET相互作用（红色条带频率）和3C相互作用频率。所有基因都显示出显著的丰富性(*P（P）*>0.05，未配对t吨与K562细胞相比，MCF-7细胞中DHS外显子（绿色虚线框）和上游启动子之间的3C相互作用。RPM，读/百万。

图5
DHS外显子与细胞类型特异性选择性剪接之间的关联。(一)盒须图（最小-最大范围）显示DHS外显子、匹配外显子和总外显子与选择性剪接事件的部分重叠(*P（P）*= 6.52 × 10⁻¹³¹，双尾配对t吨测试，n个=86种电池类型）。(b)顶部，定义ChIA-PET交互的节点和循环组件。底部的盒须图显示了参与染色质相互作用的外显子（节点内）和具有选择性剪接事件的干预区域内外显子的部分重叠(*P（P）*=0.0015，双尾配对t吨测试，n个=4个库复制）。(**c（c）**)盒须图显示DHS外显子和匹配外显子外显子包含频率的折叠富集(*P（P）*=0.0003，Wilcoxon配对签名秩检验，n个=12种细胞类型）。(d日)盒须图显示细胞型特异性DHS外显子相对于细胞型特异非DHS外显子的外显子包含频率的折叠富集(*P（P）*= 7.81 × 10⁻⁶Wilcoxon配对签名等级测试，n个=12种细胞类型）。(**e（电子）**)盒须图显示配对细胞类型之间DHS外显子使用的差异(*P（P）*= 1.56 × 10⁻⁶Wilcoxon配对签名等级测试，n个=5个随机配对的细胞类型）。(**（f）**)盒须图显示DHS外显子与启动子样、增强子样和绝缘样特征的部分重叠，以及选择性剪接事件(*P（P）*=0.0235，方差分析，n个=8种电池类型）。在**d–f日**图（顶部）显示了DHS外显子在基因中的位置。

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