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.2011年2月；21(2):147-63.
doi:10.1101/gr.110098.110。 Epub 2010年12月22日。

果蝇异染色质组蛋白修饰模式和染色体蛋白的可塑性

妮可·C·里德尔 1, 阿基·米诺达, 彼得·V·哈尔琴科, Artyom A Alekseynko（阿特约姆·A·阿列克塞延科）, 尤里·施瓦茨, 迈克尔·托尔斯托鲁科夫, 安德烈·A·戈尔查科夫, 雅各布·D·杰菲, 卡梅隆·肯尼迪, 丹妮拉·林德巴索, 莎莉·E·佩奇, 格雷戈里·沙诺, 郑海燕, Mitzi I Kuroda公司, 文森佐·皮罗塔, 彼得·帕克, Sarah C R埃尔金, 加里·卡彭
附属公司

果蝇异染色质组蛋白修饰模式和染色体蛋白的可塑性

妮可·C·里德尔等。 基因组研究. 2011年2月.

摘要

真核基因组分为两种基本形式，常染色质和异染色质。我们利用组蛋白修饰和染色体蛋白的ChIP阵列分析，研究了不同细胞类型中果蝇异染色质的组成和组织。正如预期的那样，着丝粒周围异染色质和4号染色体平均富集了“沉默”标记H3K9me2、H3K9 me3、HP1a和SU（VAR）3-9，并且通常缺失了与活性转录相关的标记。由这些标记识别的常染色质-异染色质边界在动物组织和大多数细胞系中的位置相似，尽管在一些细胞系中异染色质的量是可变的。染色质模式的组合分析揭示了常染色质、着丝粒周围异染色质和第4染色体的不同剖面。异染色质中的沉默和活性蛋白编码基因都显示出染色体蛋白质和组蛋白修饰的复杂模式；大多数活性基因同时显示“激活”标记（例如H3K4me3和H3K36me3）和“沉默”标记（如H3K9me2和HP1a）。异色域中活性基因的特征似乎是转录起始位点H3K9甲基化的缺失。我们还观察到基因间区域、重复转座元件（TE）序列和异色延伸中的基因的复杂表观基因组图谱。常染色染色体臂中的大量序列显示出异色染色质特征，其大小、位置和对不同细胞类型之间基因表达的影响不同。我们得出的结论是，异染色质/常染色质包装的图案显示出比预期更大的复杂性和可塑性。这一综合分析为进一步研究受异染色质影响或依赖的基因活性和染色体功能奠定了基础。

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数字

图1。
图1。
染色质标记定义异染色质和常染色质。(A类)中的异色和常色区域图D.黑腹果蝇基因组。对于每条染色体，常染色质以黑色表示，异染色质以浅蓝色或浅灰色表示，“C”是着丝粒。本次分析的目标是D.黑腹果蝇基因组（h和Het区域）以浅蓝色表示。(B类)常染色质和异染色质占据不同的基因组分区。俄勒冈州R（野生型）三龄幼虫的多烯染色体(顶部)或S2细胞间期细胞核(底部)用H3K4me2和H3K9me2特异性抗体染色，H3K4me2在基因组常染色区富集，H3K9me2在异染色质中富集。(左侧到正确的)相位图像（聚乙烯）或DAPI染色（S2细胞）；H3K4me2染色（红色）；H3K9me2（绿色）；H3K4me2（红色）和H3K9me2（绿色）信号的合并图像。
图2。
图2。
染色质标记定义了异染色质和常染色质之间的表观基因组边界。根据ChIP阵列数据划定着丝粒-近端常染色质/异染色质边界。第2、3和X染色体的着丝粒近端3Mb以及第4染色体的远端部分（1.35Mb）在2-4h胚胎中富集了H3K9me2和H3K4me3。染色体2、3和X也显示了完整的Het区域。对数强度比值(年-轴）绘制每个标记相对于染色体位置的图(x个-轴）。方框在下面条形图以显著富集（0.1%的错误发现率[FDR]）来划分基因组区域。基因以绿色显示在下面ChIP阵列数据及其方向如箭头所示，细胞基因组定义的异染色质用蓝色条标记。蓝色箭头表示染色体臂2L、2R和3L的表观基因组边界的位置。染色体臂2R和3L上多个“沉默”和“活跃”标记的模式如补充图1所示。
图3。
图3。
异染色质-常染色质边界因细胞类型而异。(A类)H3K9me2对数强度比值(年-轴）在染色体臂3L的近端区域(x个-轴，碱基对中的序列坐标）显示了2-4小时胚胎、14-16小时胚胎、三龄幼虫和成年头部，以及S2、BG3、Kc和克隆8细胞。方框在下面条形图以显著富集（0.1%FDR）划分了基因组区域。细胞基因组定义的异染色质以蓝色显示，蓝色箭头表示常染色质和异染色素之间表观基因组边界的位置。“Repeat Density”轨迹根据RepeatMasker（3.28版）显示每个10-kb窗口中包含重复DNA的部分(http://www.repeatmasker.org). “基因覆盖率”绘制50-kb窗口内的基因数量，并显示单个基因在下面其方向如箭头所示。(B类)条形图总结了八种受检细胞类型中每个染色体臂上表观常染色质-异染色质边界的位置。上x个-轴，0表示细胞基因组边界的位置；负数和正数表示表观基因组边界分别是细胞基因组边界的着丝粒近端或远端（Mb）。在任何细胞类型的区域3Rh和三种细胞类型的X染色体（？<–）中均未观察到异色标记的富集，这表明边界位于不在当前集合中的更近区域。表观基因组边界的序列坐标如表1所示。
图4。
图4。
BG3细胞中的着丝粒异染色质和4号染色体具有许多特殊的染色质状态。(A类)常染色质、着丝粒周围异染色质和4号染色体显示了单个染色质标记和蛋白质的平均富集水平（图1和图2；绿色，“活性”标记；红色，“沉默”标记；黑色，未定义）。颜色显示原木上的富集（红色）或耗尽（蓝色）2全基因组归一化后的比例（见方法）。与着丝粒周围异染色质相比，第4染色体上“活性”标记的缺失较少（例如H3K4me2和H3K27ac），H3K36me3的富集程度更高，这是一种与转录延伸相关的修饰。面板3给出了重复序列和RNA-seq信号的平均富集度（相对于阵列平均值的Z分数）。与基因/基因元件相关的三个基因组域的分数（用灰度表示）显示在面板4中（基因，整个基因；TSS-prox.，Flybase中注释的TSS的±500 bp；3'-prox.3’末端的±500 bp；内含子，注释的内含子内）。远处-正确的列表示各组寡核苷酸阵列上拼接基因组序列的百分比。关于S2细胞中富集模式的相同分析，请参见补充图4B。(B类)着丝粒周围异染色质（“异染色质”）和4号染色体内染色质标记的常见组合模式。显示“染色质标记”特定组合模式的序列（第1组）首先通过15状态K-means PCA聚类分析进行识别（如补充图4A所示），然后组合成五个相似组（a–E）（见方法）。随后，对其余面板中显示的其他属性进行了与这些组相关的评估。每一列（图1和图2）表示五组（a-E）中给定组蛋白修饰或蛋白质的平均富集水平。每组的颜色编码反映了“主动”和“无声”标记的主要模式（见正文）。面板3、4和5如上所述。“染色体”面板显示各组的重叠/欠重（对数2比例）相对于每个染色体臂（h加Het区域）中异染色质的数量。接下来的两列给出了在4号染色体中发现的组的百分比（“chr4中的%”），以及每组所占的4号染色体的百分比（“chr4的%”）。“扩展中的%”报告了异染色质扩展中各组的百分比（图3B；表1）。关于S2细胞染色质状态的相同分析，请参见补充图4、B和C。(C类)染色体2R中心周围区域不同染色质状态的散布示例。该区域显示两个转录基因(120立方厘米和计算17486)在异色背景下。四个标记的富集剖面以黑色显示(年-轴：对数强度比值，x个-轴：染色体上的位置），组在顶部.基因以绿色表示，方向由箭头指示。每个基因的上游启动子区域与D组模式相关（浅绿色；H3K9me2和me3低，H4和H1缺乏，HP1a中度富集）。TSS下游紧邻的区域与C组（深绿色）相关，并在H3K4me2/3、H2B-ubi中富集，同时HP1a水平较低，H3K9me2/3水平更低。基因体内的序列属于B组（黄色），H3K36me3以及HP1a和H3K9me2/3的富集程度很高。基因间区域与A组模式（红色）相关，仅显示H3K9me2/3和HP1a富集。E组描述了PC调节下的一小组基因座。
图5。
图5。
异染色质中的基因具有特殊性质。(A类)通过计算5'和3'末端两侧500-bp区域、基因内第一个和最后一个500bp区域以及剩余基因体的平均富集度，总结了每个注释基因的观察染色质状态。每个区域都由小矩形表示（图中各种红色阴影）。本分析仅考虑非重叠基因。每个基因片段中的修饰和蛋白质水平以红色（富集）和蓝色（缺失）的阴影表示B–D类. (B类)染色质标记和蛋白质的平均富集模式（对数2scale）用于BG3细胞中转录沉默基因。第二个面板显示每组基因的平均G/C核苷酸含量、重复内容、RNA-seq水平和基因长度。最后一列显示了每组中的基因数量。与非活性常染色质基因相比，异染色质和4号染色体中的转录非活性基因在所有基因片段中H3K9me2/me3、HP1a和SU（VAR）3-9高度富集，而在大多数活性标记中耗尽。(C类)BG3细胞中转录活性基因染色质标记富集的平均模式。异色区内转录的基因在与表达的常染色基因（例如，H3K36me3、Pol II、H3K4me2/3和CHRO（一种与多基因染色体上带间区域相关的色域蛋白；Gortchakov等人2005；Rath等人2006）相当的水平上显示出“活性”标记的富集。然而，与活性常染色基因相比，一些活性标记（例如H4K16ac、H3K18ac、H3K23ac和H3K79me1/2）的富集水平显著降低。最重要的是，异染色质和第4染色体基因也含有高水平的HP1a、H3K9me2和H3K9 me3，这在活性常染色质基因中未观察到。与沉默的异色基因相比，表达的异色基因平均更短，并且包含更少的内含子重复（参见B类和C类). (D类)异色基因显示的组合染色质模式。根据其富集摘要对基因进行聚类(A类)跨多组蛋白修饰和染色体蛋白（第1栏中的列；参见方法）。每行显示了10个确定簇中的一个簇内基因的平均富集模式。簇数是用颜色编码的，表示染色质状态，具有类似的“活跃”和“沉默”标记的主要模式。最后三个面板显示了簇内每个染色体的折叠富集/缺失（对数2比例），4号染色体簇区的百分比（在chr4中为%），以及异色延伸中出现的每个簇的百分比（“外部为%”）。(E类)活跃转录的异色和第4染色体基因的TSS富集模式。图中显示了BG3细胞TSS周围HP1a（蓝色）、H3K9me2（橙色）、H3G9me3（绿色）和Pol II（红色）的平均富集曲线(左边，簇7,8英寸D类S2细胞中的相应簇(正确的，补充图5C，集群7，8）。排除了具有不同启动子（间隔<2kb）和重叠基因的基因，结果分析了总共25个BG3基因和32个S2细胞基因。平均浓缩水平（对数2比例）绘制在年-相对于上TSS（0）的轴x个-轴（bp）。结果表明，TSS处的沉默标记显著减少。
图6。
图6。
位于不同异染色质区域的表达基因和基因间域的染色质模式不同。图表显示日志2浓缩(年-轴）对于H3K36me3（红色）、H3K9me2（浅蓝色）、H3G9me3（深蓝色）和HP1a（绿色），相对于缩放后基因和2-kb侧翼区域(x个-轴）。虚线水平线显示每个修饰/蛋白质的基因间区域内的平均富集水平，使用相同的颜色键。(A类)BG3细胞中表达的中心周围基因的平均富集谱表明，与基因体相比，基因间区域的HP1a和H3K9me2/3水平较高，而基因体上的H3K36me3水平高于基因间区域。中心周围基因位于靠近BG3表观基因组边界的着丝粒区域，包括细胞基因组异染色质和BG3延伸(n个= 235). (B类)BG3细胞中表达的4号染色体基因的平均富集谱显示，与基因间区域平均值相比，基因体内HP1a、H3K9me2/3和H3K36me3的富集水平明显更高(n个= 58). (C类)S2细胞中的平均富集基因(C类)S2特异延伸区域内（S2和BG3表观基因组边界之间）。显示了在S2和BG3细胞中表达的60个此类基因的图谱。(D类)S2细胞中位于由细胞基因组边界定义的中心周围异染色质内的表达基因的平均富集情况（不包括3Rh；n个= 117). 在S2细胞中，延伸和细胞基因组异染色质在基因间区域内对所有四个标记都具有可比的富集水平。然而，在活性基因中，延伸区的HP1a和H3K9me2/3水平低于细胞基因组区域。
图7。
图7。
异色区内整合的重复元素显示出类似的表观基因特征。(A类)BG3细胞中特定染色质标记（列）的平均富集（红色）和缺失（蓝色）显示为常染色质中特定重复元素类型（行）(左边)和异色(正确的)区域（具有重复名称的扩展版本如BG3细胞的补充图11所示，S2细胞的补充图12所示）。富集水平的色谱（log2比例）与图5相同。在BG3延伸区域中发现的异色重复序列的比例在正确的所有重复类型的异色实例都以HP1a、SU（VAR）3-9和H3K9me2/3的强富集为标志。相反，常染色体重复实例与不同类型的染色质模式有关，这些染色质模式在“活跃”和“沉默”标记的水平上有所不同。具有类似图案的元素用彩色竖条标记在左边; 红色，高度浓缩用于“无声”标记，耗尽用于“活动”标记；绿色，“无声”标记为低富集或低耗尽，“活跃”标记为高富集；橙色，混合丰富的“活跃”和“沉默”标记。(B类)的全比例视图顶部-图的大部分显示了重复类型，常染色和异色实例显示了相似的平均染色质模式，“无声”标记的主要富集。RepBase重复类型名称显示在左边，每个区域内找到的实例数正确的相反，使用混合(C类)和“活动”(D类)常染色区的染色质模式(左边)当位于异染色质中时，主要显示“无声”标记富集(正确的).
图8。
图8。
BG3和S2细胞在常染色区显示出新的H3K9me2富集区域。(A类)H3K9me2在不同细胞类型中富集的区域。基因组的常染色部分（不包括边界分析中定义为异染色质的区域；见图3A）被细分为多组区域，这些区域在不同的细胞类型中表现出H3K9me2富集的共同模式。每个框显示属于集合（行）的区域的分数（灰度），这些区域在特定单元格类型（列）中富集为H3K9me2。上的直方图左边显示了每行（1–7）中常染色基因组的分数，精确到%s左边第7行中的区域在所有检测的细胞类型中都缺乏H3K9me2，而第1行中的组在所有检测细胞类型（Kc细胞除外）中都富含H3K9 me2。第2-6行确定了仅在细胞类型子集（例如，仅BG3细胞（第5行）或S2细胞（第3行）或两者（第2行）中显示H3K9me2富集的其他常染色区域。面板2显示了每组中与注释基因不同部分相关的序列分数（基因，整个基因；TSS-prox.[Flybase中注释的TSS的±500 bp]，3'-prox.[Flybases中注释的3'末端的±500 bp]，内含子是“基因”列中包含的序列的子集）。第三个面板显示了不同染色体臂上每个簇的过度/欠重表达，这是通过比较特定染色体上簇的序列分数与染色体贡献给阵列的序列分数来计算的。(B类)细胞型特异性H3K9me2富集域中染色质标记的平均富集。每行显示平均浓缩水平（log2scale）在与中看到的主要模式相对应的区域内A类使用HMM分割来识别特定区域（参见方法）。面板1显示S2细胞中的平均富集模式，面板2显示BG3细胞中相同基因组区域的平均富集类型，面板3显示与基因特征相关的特定H3K9me2富集域的分数。虽然“普通”、BG3和BG3+S2结构域（第1-3行）仅因异色标记而富集，但S2特异和S2+Kc-特异结构域（第一、五行）包括活性转录基因，S2细胞中的活性转录基因因异色标志而富集，以及通常与转录相关的标记，类似于“混合”说明异染色质中发现的基因（图4）。(C类)浏览器截图显示了一个来自“普通”（第1行）域的基因示例，该域位于X染色体的常染色臂上，在除Kc细胞外的所有受检细胞类型中都富集了H3K9me2。x个-轴，染色体在碱基对中的位置（着丝粒到左边). 基因以绿色表示，其方向如箭头所示。年-轴，H3K9me2富集水平（对数2刻度）。(D类)第3R臂的一个代表性区域，包含S2特异性结构域（第3行），显示H3K9me2（蓝色）和与活性转录相关的标记H3K36me3（绿色）、H3K4me3（橙色）和Pol II（红色）的组合。两组基因显示出S2独特结构域基因典型的不同启动子方向。X（X）-轴，染色体在碱基对中的位置；年-轴，浓缩水平（对数2比例）。
图9。
图9。
观察到的染色质模式总结果蝇异染色质。总结了在常染色质、着丝粒周围异染色质（包括S2特异性延伸）和第4染色体中的活性基因、沉默基因和基因间区域中观察到的选定组蛋白修饰和蛋白质的主要富集模式。红色、“无声”标记和蛋白质；绿色，“活动”标记。每行内色块的高度表示相对于所示特征的富集程度在下面其组合模式反映在颜色和强度上。例如，染色体4中用于基因间区域和沉默基因的浅红色表明，与着丝粒周围异染色质相比，“沉默”标记的富集程度较低。活性基因之间的梯度反映了“活性”和“沉默”标记相对水平的差异；红色，主要是“无声”标记；绿色，主要是“活动”标志；黄色，对两者都有好处。常染色质中的沉默基因以灰色显示，表示没有“沉默”标记。
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