ATAC-seq開啟新視角：探索Shox2基因沙漠的神秘功能

2024年7月，發表在《Nature Communications》的一篇文章“A gene desert required for regulatory control of pleiotropic Shox2 expression and embryonic survival"，聚焦Shox2基因下游的基因沙漠，綜合運用多種前沿技術，揭示了基因沙漠在調控Shox2基因多效性表達、胚胎存活及組織發育中的關鍵作用。該研究中，ATAC-seq技術發揮了重要作用。它通過檢測染色質的可及性，幫助研究人員篩選出在心臟組織中特異性開放的染色質區域，進而定位到Shox2基因沙漠中的心臟特異性增強子（+325）。這一發現不僅明確了基因沙漠中調控心臟 Shox2表達的關鍵元件，也為解析基因沙漠在心臟發育中的調控機制提供了關鍵線索，推動了對基因調控網絡復雜性的認知。

研究背景

約四分之一的人類基因組由基因沙漠組成，這些區域沒有基因，但卻常常位于發育基因附近，暗示著它們可能參與基因調控。此前研究表明部分基因沙漠有重要作用，但多數基因沙漠功能仍不明確。Shox2基因對小鼠胚胎發育至關重要，其編碼的轉錄因子影響近端肢體、顱面、心臟起搏器等發育，且人類Shox2相關變異與心臟疾病有關。本研究聚焦于Shox2基因下游的穩定基因沙漠，探究其對基因表達調控及胚胎發育的作用。

技術路線

研究結果

1.研究發現，基因沙漠中存在多個具有組織特異性活性的增強子。通過LacZ轉基因報告分析，這些增強子在肢體、顱面、神經和心臟等組織中表現出與Shox2基因表達模式高度重合的活性。這表明基因沙漠中的增強子在調控Shox2基因的多效性表達方面發揮著重要作用。

圖1. Shox2基因沙漠是組織特異性增強子的樞紐。

2.利用C-HiC對小鼠胚胎的前肢、下頜骨和心臟組織進行分析，結果顯示，Shox2基因沙漠形成了具有組織特異性特征的染色質環。在心臟組織中，存在一個高密度接觸域（HCD），它影響著增強子與啟動子之間的相互作用。以Shox2轉錄起始位點為中心，利用v4C分析它與其他元件的接觸情況，進一步揭示增強子與啟動子之間的遠程相互作用。這說明染色質的三維結構在基因調控中起著關鍵作用，基因沙漠通過塑造特定的染色質環來調控Shox2基因的表達。

圖2. 在不同組織中調控Shox2的3D染色質結構。

3.研究人員進一步構建了基因沙漠缺失的小鼠模型，通過整體原位雜交（ISH）、qPCR、免疫熒光（IF）、骨骼染色和μCT技術檢測基因表達以及肢體骨骼發育的情況。結果顯示基因沙漠缺失導致胚胎致死，心臟竇靜脈（SV）中Shox2轉錄本缺失，同時顱面和近端肢體中Shox2表達也顯著降低。這直接證明了基因沙漠對于維持胚胎存活以及調控Shox2在不同組織中的表達量至關重要。

圖3. 基因沙漠缺失減少了肢體和顱面隔室中的Shox2。

4.通過ATAC-seq與ChIP-seq聯合分析，研究人員在基因沙漠中鑒定出一個關鍵的心臟增強子（+325）。同時通過雙熒光素酶報告實驗驗證了這個增強子與TBX5轉錄因子相互作用，維持心臟中Shox2的穩定表達。當這個增強子缺失時，心臟中Shox2的表達量下降，進一步說明了基因沙漠增強子對心臟Shox2表達的重要調控作用。

圖4. 基因沙漠介導的心臟Shox2轉錄調控對胚胎存活至關重要。

5.結合ChIP-seq和4C-seq數據分析，并通過多增強子聯合缺失實驗，發現基因沙漠中包含多個近端肢體增強子（PLEs），這些增強子在肢體發育過程中相互協作。同時發現基因沙漠缺失會導致肢體骨骼發育異常，Stylopod（肱骨和股骨）嚴重縮短。這充分表明基因沙漠在肢體形態發生過程中扮演著重要的角色。

圖5. 增強子介導的轉錄穩定性保護心臟中的Shox2。

圖6. 基因沙漠編碼了一系列具有亞區域特異性的分布于近端肢體的增強子（PLEs）。

Shox2基因沙漠是關鍵的順式調控區域，編碼一系列組織特異性增強子，協調調控Stylopod 形成、顱面模式形成和心臟起搏器依賴的胚胎發育進程。其增強子的組織特異性和分布模式，以及染色質拓撲結構對理解先天性異常的發病機制具有重要意義，為后續研究提供了理論基礎和方向。