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.2015年12月23日16:289。
doi:10.1186/s13059-015-0857-0。

组蛋白H1缺失细胞的局部隔室变化和调控景观变化

吉尔特·吉文 1, 朱云（Yun Zhu） 2, Byung Ju Kim先生 三, 鲍里斯·巴托尔迪 4, Seung-Min Yang先生 5, 托德·麦克法兰 6, 韦斯利·吉福德 7, 塞缪尔·普法夫 8, Marjon J A M Verstegen公司 9, 雨果·平托 10, 玛丽特·维蒙特 11, Menno P Creyghton公司 12, 帕特里克·J·威彻斯 13, 约翰·A·斯塔马托亚诺波洛斯 14 15, 亚瑟一世斯科尔奇 16, 沃特·德·拉特 17
附属公司

组蛋白H1缺失细胞的局部隔室变化和调控景观变化

吉尔特·吉文等。 基因组生物学. .

摘要

背景：连接组蛋白H1是一种核心染色质成分，与核小体核心颗粒和核小体之间的连接DNA结合。它与染色质压实和基因调控有关，并有望在高阶基因组结构中发挥作用。在这里，我们使用了全基因组方法的组合，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和DNA酶I超敏反应谱以及Hi-C，来研究胚胎干细胞中组蛋白H1细胞水平降低对染色质折叠和功能的影响。

结果：我们发现组蛋白H1的缺失改变了基因组中数千个潜在调控位点的表观遗传特征。其中许多表现为多个染色质标记的协同丢失或获得。表观遗传改变聚集到已经显示出高密度相应染色质特征的基因感观拓扑关联域（TAD）。三维水平上的基因组组织基本上是完整的，但我们发现染色体的结构分段发生了变化，特别是针对表观遗传学上大多数修改过的TAD。

结论：我们的数据表明，细胞需要正常的组蛋白H1水平来暴露其适当的调控环境。组蛋白H1水平的降低会导致大规模的表观遗传改变和拓扑结构改变，尤其是在最活跃的染色体域。TAD结构的变化与表观遗传景观的变化一致，但与转录输出的变化无关，这支持了一个新概念，即TAD的转录控制和核定位不是因果相关的，而是由局部相关的反作用因子独立控制的。

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数字

图1
图1
组蛋白H1缺失ES细胞中的簇状DNA甲基化变化。一圆形图显示了低甲基化（in）的全基因组分布蓝色)和高甲基化（in红色)基于HELP-taging分析，与野生型ES细胞相比，H1 TKO中沿着1号染色体线性序列的位点。内部轨迹显示各个位点的局部密度。b条基因组窗口数量直方图（固定大小，20 kb，非重叠），包含HELP-标记分析中大约100万个可分析位点的完整集合中的至少五个随机选择的位点。直方图中的计数与随机抽签总数之和，即1000。这个箭头表示观察到的包含至少五个不同甲基化位点的基因组窗口数量（103个），这大大超出了偶然的预期。c（c）基因百分比与野生型DNA甲基化位点百分比的比较(重量)根据重叠基因的数量对TAD组中的ES细胞进行排序(基因含量). x轴上的排名是这样的，最左边的箱子包含20%的TAD，基因数量最少，最右边的箱子包含最多的TAD。绘制TAD组的基因组大小占所有TAD总基因组大小的百分比，作为参考。d日在相同的TAD组中，TKO细胞中高甲基化或低甲基化位点的百分比与WT ES细胞中DNA甲基化位点百分比的比值如前所述（图1d）。因此，该比率测量每个仓位中TKO细胞中高甲基化和低甲基化的富集或缺失量。e（电子）在H1缺失细胞中观察到低甲基化或高甲基化的基因组位点的空间分布。我们分析了不同甲基化位点相对于ChromHMM算法定义的不同类型染色质的位置（基于ENCODE联盟的大量小鼠ES细胞ChIP-Seq数据）。为了进行比较，我们在HELP-标记实验中确定了DNA甲基化状态的位置的随机选择中纳入了相同的分布
图2
图2
改变H1 TKO细胞的基因组调控格局。一ChIP序列实验中富集区（峰）重叠部分的聚类热图。我们比较了野生型组蛋白修饰H3K4me1、H3K4me3、H3K27me3和H3K9me3的ChIP-seq数据(重量)ENCODE联盟在另一小鼠ES细胞系中公布了这些标记的ChIP-seq数据。b条WT和H1 TKO细胞三次重复实验中DNase-seq覆盖的热图。WT和TKO细胞之间DNase-seq覆盖率差异的全基因组统计分析揭示了2123个位点(顶部)具有增益和2043个站点(底部)TKO细胞中DNaseI超敏反应的丧失。热图的行对应于约4000个位点，按覆盖率对数变化排序，其间随机收集了未改变的DNaseI超敏位点。c（c）包含获得的站点计数的维恩图(左边)否则就会失败(正确的)组蛋白的富集标志着H3K4me1和H3K4me3，它们和TKO细胞中2123个新形成的DHS重叠。d日组蛋白ChIP-seq富集热图标记WT和H1 TKO细胞中的H3K4me1和H3K4me3。剖面表示重复实验的平均值。热图中以行表示的基因组位点是观察到H3K4me3富集显著变化的位点。行按TKO细胞中H3K4me3富集量从上到下的变化幅度按降序排列。e（电子）H3K4me1富集和DNA甲基化变化的散点图
图3
图3
表观遗传变化在基因感应TAD中积累。一TKO细胞中DHS显著缺失的位点（百分比）与野生型DHS（百分比）的比率(重量)TAD组中的ES细胞。TAD根据基因含量排序，并分组在大小相同的箱子中（顺序与图1d相同），大多数基因贫乏的TAD位于左侧。绘制了TKO中损失H3K4me3的站点的类似比率，但此处计算的比率是相对于具有H3K4me3富集的WT站点的。b条与面板相同(一)，但对于在TKO细胞中显著失去H3K4me1富集的位点（与WT H3K4me1位点相比的比率）。c（c）根据重叠基因数量排列的TAD组中新生DHS的百分比（与(一,b条)). 还显示了TKO ES细胞中新生H3K4me1位点的百分比。d日两个位点的例子，一个位于12号染色体上，另一个位于8号染色体上。在这两个位点中，出现了几个新的DHS，这些DHS与TKO ES细胞中H3K4me1的变化同时发生（在灰色). 标准化DNase-seq覆盖范围绘制于绿色（WT和TKO中三次重复实验的平均值）和归一化H3K4me1 ChIP-seq覆盖率绘制为红色（重复项的平均值）。黑盒子指示WT小鼠ES细胞中包含不同计算预测染色质状态的基因和轨迹(色度HMM)显示为参考
图4
图4
表达改变的基因在基因组中按比例分布。一RNA-seq基因表达谱之间成对相关的聚类热图。我们比较了野生型中RNA-seq基因的表达(重量)和TKO细胞与ENCODE联盟公布的来自广泛小鼠组织的RNA-seq数据的比较。移动电子稳定控制系统小鼠胚胎干细胞。b条具有统计学意义的火山图（-log10第页值）相对于WT和H1 TKO小鼠ES细胞之间RNA-seq基因表达的倍数变化。在这两种条件下表达显著差异的转录本如所示红色，而基因蓝色不要达到阈值。c（c）先前报道的下调转录物的RNA-seq标准化表达值(霍克斯基因，左侧面板)和上调（印迹基因，右侧面板)在H1缺失的ES细胞中。d日差异上调和下调基因的百分比与TKO ES细胞中DNA甲基化显著缺失的位点的百分比相比较，并与所有小鼠基因相比较。根据TKO中丢失DNA甲基化的重叠位点的数量，在TAD组中计算百分比。在x轴上的排名是这样的，最左边的组包含20%的TAD，其中TKO亚甲基化位点的数量最少，最右边的TAD组包含此类位点的数量最多。e（电子）根据基因数量排列的TAD组中差异表达基因与所有基因相比的百分比。x轴上的排名是这样的：最右边的组包含20%的TAD，基因数量最多，最左边的组包含最少的TAD。绘制TAD组的基因组大小占所有TAD总基因组大小的百分比，作为参考。（f）与所有小鼠基因相比，TKO ES细胞中H3K4me1富集显著增加的位点百分比相比，差异上调和下调基因的百分比。根据TKO中获得H3K4me1的重叠站点的数量，在TAD组中计算百分比。x轴上的排名是这样的，最左边的组包含20%的TAD，最低的TAD组，最右边的组包含这些站点的最高数量。克与所有小鼠基因相比，TKO ES细胞中H3K4me1富集显著降低的位点的百分比相比，差异上调和下调基因的百分比。根据TKO中丢失H3K4me1的重叠站点的数量，在TAD组中计算百分比。x轴上的排名是这样的，最左边的组包含20%的TAD，最低的组包含这些站点的数量，最右边的组包含最多的站点
图5
图5
高阶拓扑变化遵循表观遗传而非转录变化。一标准化的Hi-C相互作用热图显示野生型1号染色体在100 kb分辨率下的染色质分区（A/B分区）(重量；左边)与TKO细胞相比(正确的). Hi-C相互作用热图的第一主成分（PC1）系数沿1号染色体的线性序列绘制在顶部，表明小鼠ES细胞中H1缺失后染色质室组织没有明显变化。b条PE-SCAN Hi-C分析探测控制小鼠ES细胞特性的转录因子（多潜能因子）结合位点簇之间的Hi-C相互作用。ES细胞结合位点之间的特异性相互作用10月4日,纳克、和Klf4公司在TKO细胞中H1耗竭后仍存在于小鼠ES细胞中。c（c）绘制三个不同的Hi-C图，比较Hi-C相互作用的分布与基因组距离。小鼠ES细胞的特点是短距离内的相互作用比例相对较大，而已知分化伴随着长距离相互作用的增加。TKO Hi-C图谱清楚地显示了向分化程度更高的细胞的转移。d日根据WT ES细胞的Hi-C结构域得分对TAD组的基因百分比进行排序。x轴上的排名是这样的：最左边的一组包含20%的TAD，得分最低，最右边的一组TAD包含最高的Hi-C域得分。我们还显示了WT ES细胞中富含组蛋白标记H3K4me1和H3K4me3的位点的分布，这些TAD组中具有DNA甲基化和DHSs的位点。e（电子）在我们的WT和TKO Hi-C图谱中，比较所有小鼠ES细胞TAD的Hi-C结构域得分的方框图。应用两样本Wilcoxon秩和检验来检验TKO细胞中结构域得分变化的显著性(第页价值 < < 1e-6）。（f）根据TKO和WT ES细胞之间Hi-C结构域得分的差异，对TAD组中所有表观遗传变化总和的百分比进行排序。x轴上的排名是这样的，最左边的组包含20%的TAD，最低的TAD组包含最高的Hi-C域得分差异。我们还显示了组蛋白标记H3K4me1和H3K4me3的个别变化、差异DNA甲基化和差异DNase I超敏反应的百分比
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