文章分享 | 基因沙漠：調控Shox2基因多效性表達與胚胎發育的關鍵區域

文章題目：A gene desert required for regulatory control of pleiotropic Shox2 expression and embryonic survival

發表時間：2024.10.10

發表平臺：Nature Communications

影響因子：IF 14.7 Q1
DOI: 10.1038/s41467-024-53009-7

研究背景

Shox2基因是一個重要的轉錄因子，在多個組織和器官的發育中起著關鍵作用。特別是在顱面、顱神經、中/后腦和肢體等區域的發育中，Shox2基因的表達和調控至關重要。此外，Shox2基因還與一些先天性異常疾病，如LWD（一種未明確指出的疾病名稱）和Turner綜合征（涉及顱面異常的疾病）有關。因此，深入研究Shox2基因的調控機制，特別是其增強子的活性和調控，對于理解這些發育過程和疾病機制具有重要意義。

基因沙漠，指大于500 KB的無基因染色體片段。在人類基因組中，約四分之一的區域是由基因沙漠組成，這些區域缺乏基因，卻常與發育基因相鄰，可能對這些基因的調控發揮重要作用。盡管基因沙漠在人類基因組中占據重要位置，但基因沙漠區域較大，確定其中的調控功能非常具有挑戰。本文中作者研究了位于小鼠Shox2基因兩側的基因沙漠，揭示了其在胚胎發育過程中的關鍵作用，特別是對Shox2基因的表達調控以及對肢體、顱面和心臟發育的影響。

研究結果

基因沙漠增強子重現Shox2的表型: 通過ChromHMM預測和LacZ報告基因驗證，研究人員確定了基因沙漠中超過15個與Shox2表達模式重疊的增強子，這些增強子分布在肢體、顱面部、神經和心臟細胞中。

基因沙漠塑造了具有組織特異性特征的染色質環：Hi-C分析顯示，Shox2基因沙漠形成了一個染色質環，該環包含兩個亞域：上游域（U-dom）和下游域（D-dom）。D-dom包含大多數已知的增強子，并具有心臟特異性高密度接觸域（HCD），可能對心臟細胞中的Shox2表達具有抑制作用。

基因沙漠控制Shox2的多效性劑量和胚胎存活：基因沙漠的刪除導致胚胎死亡，部分原因是心臟竇房結（SV）中Shox2表達減少。這種減少是由于基因沙漠中一個遠端增強子的丟失。

基因沙漠增強子結構確保心臟Shox2表達的穩健性：通過ATAC-seq和ChIP-seq分析，研究人員鑒定了一個位于VS-250基因沙漠區間內的Shox2心臟增強子（+325）。該增強子與心臟特異性轉錄因子TBX5相互作用，并維持心臟中Shox2的高水平表達。

基因沙漠的功能性： 基因沙漠的功能性研究強調了非編碼基因組在先天性異常機制理解中的重要性，并為理解Shox2基因沙漠在顱面部、神經和肢體發育中的作用提供了新的見解。

本文通過對Shox2基因沙漠的系統研究，揭示了其作為動態增強子樞紐，通過組織特異性增強子的模塊化排列和協同作用，調控Shox2基因的多效性表達，從而影響胚胎發育的多個過程。這一研究成果不僅加深了我們對基因沙漠調控基因表達機制的理解，也為進一步研究先天性異常的發病機制提供了重要的理論依據。未來的研究可進一步探索基因沙漠中增強子與其他調控元件的相互作用，以及其在進化過程中的變化和功能適應性。