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.2019年5月2日；177（4）：852-864.e14。
doi:10.1016/j.cell.2019.03.009。 Epub 2019年4月11日。

启动子内禀和局部染色质特征决定LAD中的基因抑制

基督利曼 1, 马洛斯·范德兹瓦尔姆 1, 劳拉·布鲁克纳 1, 费德里科·科莫利奥 1, 汤姆·范·沙克 1, 卢多·帕吉 1, 乔里斯·范·阿伦斯贝根 1, 巴斯·范·斯蒂内尔 2
附属公司

启动子内禀和局部染色质特征决定LAD中的基因抑制

克里斯特·利曼斯等。 单元格. .

摘要

目前尚不清楚自然嵌入于叶片相关结构域（lamina-associated domains，LAD）中的基因是否由于染色质环境而处于非活性状态，或者LAD是否仅仅是由于缺乏转录而导致的继发性。我们发现，当在同一细胞中从其天然LAD位置转移到中性环境时，数百个人类启动子变得活跃，这表明LAD形成了一个抑制性环境。LAD内的另一组启动子能够“逃避”抑制，尽管它们的转录延伸减弱。通过将报告子插入数千个基因组位置，我们证明逃逸启动子本质上对LAD抑制不太敏感。这不是简单地通过启动子强度来解释，而是通过启动子序列和局部染色质特征之间的相互作用来解释，这些特征在LAD中变化很大。增强剂对LAD染色质的敏感性也不同。这项工作为系统理解染色质抑制的基因调控提供了一个总体框架。

关键词：GRO-cap；当然；染色质；叶片相关结构域；大规模平行报告分析；发起人；压制；数千名记者并行采访。

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数字

无
图形摘要
图1
图1
启动子对其LAD环境的反应不同（A）所有LAD间启动子（iLAD）在自然环境（GRO-cap）和外体质粒环境（SuRE）中的启动子活性之间的关系（蓝点）。蓝线显示沿着SuRE表达轴具有501个启动子的仓大小的滑动窗口平均值。GRO-cap数据来自Core等人。(2014); SuRE数据来自van Arensbergen等人。(2017). （B） 比较LAD（红色）和iLAD区域（蓝色）中的所有启动子。红线显示LAD启动子的滑动窗口平均值，类似于（A）中的蓝线。（C） 与（B）中相同，但有三类LAD启动子以绿色、紫色和黄色突出显示。虚线表示用于定义的截止线（参见STAR方法）。（D） 启动子类别的组织表达分布不同。图中显示了FANTOM研究检测到启动子活性的组织和细胞类型的数量（1829种）（Forrest等人，2014年）。每个点代表iLAD（蓝色）或三个LAD启动子类别（黄色、紫色和绿色）中的一个启动子。另请参见图S1和数据S1。
图S1
图S1
SuRE活性在内源性环境中不活跃的启动子，与图1（A）相关10（SuRE）>0），在本机上下文中没有可测量的活动（日志10（GRO-cap）<-3），用于LAD启动子和iLAD启动子亚群在SuRE活性上匹配。（B） 附加型质粒中表达水平的分布（对数10（SuRE））中使用的匹配启动子集。（C） 内源性（log）之间的比较10（CAGE）和上位（log10（SuRE））所有启动子在LAD（红色）和iLAD区域（蓝色）的表达。与图1B类似，但使用CAGE而不是GRO-cap。蓝线和红线是滑动窗口平均值，沿着SuRE表达轴有501个启动子。（D） 与图1B和S1C中的分析相同，但使用对数10（PRO-seq）作为内源性表达的度量。（E） 图1C中定义的三类LAD启动子的CAGE和SuRE的比较。（F） 图1C中定义的三类LAD启动子的PRO-seq和SuRE的比较。
图2
图2
逃逸启动子及其基因在天然环境中的性质（A）根据Lamin B1的DamID-seq，每个启动子类周围的平均NL相互作用谱。注意逃生推进器的局部分离。数据是两个独立实验的平均值。仅包括长度至少为20kb的基因，对于iLAD中的基因，仅使用TSS上游40kb内没有任何其他基因的基因。（B） 逃逸启动子驱动的基因的总mRNA表达水平与iLAD启动子驱动且具有匹配GRO-cap活性的一组基因相比（蓝色；图S2D中GRO-cap值的分布）。信使核糖核酸序列数据来自Dunham等人。(2012). （C） （B）中匹配启动子集的平均TT-seq谱（图S2D）以及完整的抑制和非活性启动子集。数据来自Schwalb等人。(2016). （D） RNA聚合酶II的ChIP-seq信号围绕TSS（−50到+300 bp；左）和沿着由每个启动子集驱动的基因的基因体（从TSS到转录终止位点下游+300 bp），如（B）所示（图S2D）。数据来自Dunham等人。(2012). （E） 由（B）（图S2D）中的每个匹配启动子集以及整套抑制和非活性启动子驱动的基因沿线的平均H3K36me3信号。计算沿基因体的差异的p值。数据来自Schmidl等人。(2015). （F） c-Myc蛋白在每个启动子组的ChIP-seq信号（Dunham等人，2012）如（B）所示（图S2D）。（B）、（D）和（E）中的黑色水平线表示25第个, 50第个、和75第个百分位数。（B）、（D）、（E）和（F）中的p值来自Wilcoxon秩和检验。另请参见图S2、数据S1和表S2。
图S2
图S2
逃逸启动子及其基因在自然环境中的特性，与图2（A）每个启动子类的平均DNA酶-seq谱有关。数据来自（Dunham et al.，2012）。（B和C）根据ChIP-seq，每个启动子类周围的平均H3K9me2（B）和H3K9 me3（C）信号。数据来自（Salzberg等人，2017）。（D） 图2B–2F、S2A–S2C和S2G–S2L中使用的iLAD和逃逸启动子匹配组的GRO-cap信号分布。iLAD中的启动子在逃逸启动物的GRO-cap活性上匹配。（E） 与图2B相同，但iLAD启动子与SuRE活性匹配。（F） 在（E）中分析了iLAD和逃逸启动子匹配组的SuRE值分布。（G） TSS处的PRO-seq信号和匹配基因集的基因体，如（D）所示。（H–L）ChIP-seq信号是指与伸长调节有关的蛋白质在匹配的启动子组上的信号，如（D）所示。（H）中的数据来自（Tyler等人，2017）；（I-L）摘自（Dunham等人，2012）。
图S3
图S3
TRIP结构和集成映射，与图3、5和6（A）TRIP结构设计相关。PiggyBac：PiggyBac转座子的末端重复区；GFP：绿色荧光蛋白开放阅读框；sNRP-1 pA：多-A信号。（B–H）对于每个启动子，可以唯一地映射到基因组并分配到唯一条形码的TRIP报告子整合的位置。红色：LAD集成，蓝色：iLAD集成。
图3
图3
LAD背景对不同启动子驱动的整合报告者表达的影响（A–G）整合在iLAD（蓝色）和LAD（红色）中的条形码报告者表达水平的分布。记者被指示的来自受抑制（紫色，A-C）或逃避（黄色，D-F）类的LAD启动子或来自iLAD的启动子驱动PGK公司启动子（蓝色，G）。水平黑色条表示中间带；指出了iLAD和LAD中位数之间的褶皱差异。n表示所分析的综合报告数。数据是两个独立实验的平均值。（H） 综合报告者的表达水平与局部Lamin B1 DamID信号、启动子类（逃逸或抑制）以及启动子类与局部DamID信息之间的相互作用有关的线性回归模型摘要。这三个术语都对该模型做出了重要贡献。模型中仅使用了来自（A）–（F）的LAD积分。另请参见图S3、数据S2和表S1。
图4
图4
表位质粒中启动子活性的精确测量每个指示的启动子都克隆在同一个无启动子报告质粒中，带有大约100个不同的随机条形码。将获得的～700个质粒池瞬时转染到K562细胞中。2天后，在从这些细胞中分离的cDNA和质粒DNA中对条形码进行计数。该图显示了按启动子排序的所有条形码的表达水平的分布；水平线表示中间带。数据是至少两个独立实验的平均值。
图S4
图S4
用于TRIP表达式建模的染色质特征，与图5（A）对数分布相关2以TRIP集成站点为中心的5 kb区域的（信号/控制）值（ChIP或DamID），用于图5中用作建模输入的每个特征。（B） 近似分布(−我o个克10(d日我秒t吨一n个c（c）e（电子）[b第页]+1))TRIP集成到每个特征的最近峰值或域，用作图5中建模的输入。
图5
图5
将TRIP表达水平建模为LAD染色质特征的函数（A）R2逃逸子和阻遏子启动子TRIP数据的100个套索回归模型的值（见STAR方法）。每个点代表一个模型。黑线表示中间值R2值。（B） 最具预测性染色质特征的特征重要性分析。特征重要性（x轴）表示引导套索模型（1000个中）的分数，其中特征对模型性能有显著贡献。特征重要性的负值和正值分别反映负系数值和正系数值。星号标志着受抑制启动子和逃避启动子之间的显著差异（p<0.001）。考虑到整合位点周围窗口中染色质特征的平均信号强度（ChIP为5 kb，DamID为10 kb）以及与相同特征最近峰的接近程度。测试的所有特征的输入值分布如图S4所示。只使用了来自三个受抑制和三个逃逸启动子LAD内部整合的数据。另请参见图S3、S4和S5、数据S2和表S2。
图S5
图S5
将TRIP表达水平建模为染色质特征的函数，与图5（A）R的分布有关2仅在iLAD中使用积分的逃逸和抑制启动子的TRIP数据的100个套索回归模型的值。黑线表示中间值R2值。（B） R的分布2使用所有可用的积分（LAD和iLAD）对单个启动子的TRIP数据的100个套索回归模型的值。黑线表示中间值R2值。
图6
图6
H3K27me3结构域上下文对启动子活性的影响（A–G）iLAD区域条形码报告子表达水平的分布与H3K17me3结构区重叠（绿色）或不重叠（蓝色）。数据来自与图3A–3G中相同的实验，具有被抑制的（紫色；A–C）或逃避子（黄色；D–F）类启动子，或iLAD衍生的PGK启动子（蓝色；G）。水平黑色条表示中间带；对于每个启动子，H3K27me3区域内外的中位数之间的fold差异被指出。n表示分析的综合报告者数量。数据是两个独立实验的平均值。（H） 通过TRIP测试的七个启动子的LAD抑制效应（LAD和iLAD中位数表达之间的倍数差异；图3A–3G）和H3K27me3结构域（H3K27 me3结构区和非H3K270 me3结构段中位数表达的倍数差异，图6A–6G）之间的相关性。（一） 如图1B所示，与不位于H3K27me3结构域的iLAD启动子（蓝色）相比，位于H3K27me3域的iLA启动子（绿色）的SuRE与GRO-cap分析。红色曲线显示LAD启动子趋势线，如图1B所示。另请参见图S3和数据S2。
图7
图7
增强RNA产生的LAD抑制；先锋TF结合位点的影响（A）LAD（红色）和iLAD（蓝色）增强子的比较，类似于图1B。每个点代表一个先前注释的增强子（Fishilevich等人，2017）。（B） 与（A）中相同，三类LAD增强子以绿色、紫色和黄色突出显示。虚线表示用于定义的截止线（参见STAR方法）。（C） 与一组与SuRE活性匹配的受抑制增强子相比，逃逸增强子中丰富图案的序列标志。主题由DREME公司（Bailey，2011）。（D） 增强子对TF亲和力中位数预测的倍数差异。每个点代表一个在K562中可检测表达的TF，根据Ehsani等人。(2016). 使用亲缘关系配置文件来自REDUCE套件（Roven和Bussemaker，2003年）。另请参见数据S3。
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