整合多组学数据解析增强子之间的层次结构

Among the large number of noncoding DNA in human genome, super-enhancers (SEs), the enhancer clusters showing high transcriptional regulation activity, play important role in regulating cell-type specific gene expression during development and diseases. However, the underlying mechanism remains unclear. The recent works from us and other groups strongly suggest that SEs are composed of a functional hierarchy of interdependent constituent elements. In this project, we propose to develop a novel approach to systematically dissect the functional hierarchy among constituent enhancer elements through integrating the information from histone modifications, chromatin accessibility, chromatin structure and DNA sequence. First, we will predict the spatial enhancer hierarchy through integrating multi-omics data. Second, we will map the temporal enhancer hierarchy based on the dynamics of multi-omics data during biological processes. Next, we will further explore the biological function of enhancer hierarchy during development or diseases. Last, CRISPR/cas9 genome-editing assays will be used for the experimental validation of predicted functional enhancer hierarchy. Our proposed research will provide powerful tools that will facilitate functional characterization of SEs, which in turn will provide mechanistic insights into development and diseases.

在人类基因组大量非编码区域中，超级增强子是具有高转录活性的增强子簇，对发育与疾病相关的细胞特异性基因表达起关键调控作用。然而，目前对于超级增强子的作用机理尚不清楚。包括申请人在内多个课题组的前期工作发现，多个增强子之间相互依赖，存在功能上的层次结构。本项目中，申请人将开发一种新的方法，通过整合组蛋白修饰、染色质可及性、染色质结构和基因组序列等多组学数据，系统地解析超级增强子的层次结构。首先，通过整合多组学数据，预测超级增强子在空间上的层次结构；其次，基于多组学的动态变化数据，阐述超级增强子在生物过程中时序上的层次结构；接着，进一步探索超级增强子层次结构，在发育或疾病发生过程中的生物学意义；最后，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，开展实验验证超级增强子在功能上的层次结构。该研究不仅有助于阐明超级增强子的作用机理，还将为深入研究其在发育和疾病中的具体作用机制提供有力的工具。

在人类基因组大量非编码区域中，超级增强子是具有高转录活性的增强子簇，对发育与疾病相关的细胞特异性基因表达起关键调控作用。然而，目前对于超级增强子的作用机理尚不清楚。本项目中，申请人综合利用生物信息学、单细胞多组学和基因编辑等前沿交叉技术，系统地解析超级增强子的层次结构。我们的主要成果包括：（1）利用多组学技术绘制造血系统发育系统的增强子完整图谱（PNAS 2020）；（2）鉴定出超级增强子功能层次结构的三种动态变化模式（Genome Biol 2021）；（3）开发eNet算法整合单细胞多组学图谱揭示增强子对基因表达的调控机制（Brief Bioinform , 2023）；（4）利用eNet算法和单细胞多组学技术成功构建小鼠脊髓发育过程中的增强子调控网络（Dev Cell 2022）。这些发现不仅有助于阐明超级增强子的作用机理，还将为深入研究其在发育和疾病中的具体作用机制提供有力的工具。