H2B泛素化调控地中海贫血症中β-珠蛋白基因染色体结构的作用机制研究

β-thalassemia is a fatal genetic disease, and this disorder is caused by mutations or deletions in the human β-globin gene cluster. The proper expression of β-globin gene cluster requires a relaxed chromatin structure of the locus control region (LCR), which could recruit CTCF (CCCTC binding factor) and other factors to interact with promotor, forming the higher-order chromatin structure. This higher-order structure maintains a balanced expression level of β-globin isoforms. Histone modifications play important roles in the modulation of chromosome structure and gene transcription. Specifically, H2B ubiqutination regulates gene expression by changing the chromatin structure. However, the influence of histone ubiquitination on the chromatin state of β-globin gene cluster and CTCF-mediated higher-order chromatin structure is unknown. Our previous study found that histone H2B ubiquitination mediates chromatin relaxation in the meiotic homologous recombination, and that we have created the iPS cell lines originally from the β-thalassemia patients. In addition, we have induced these iPS cells to differentiate to erythroid cells, in which we could tracking the development lineage of an aberrant RBC. In this project, we will use ChIP-nexus, 4C and other epigenetic techniques to study the function of H2B ubiquitination in the CTCF-mediated higher-order chromatin structure in regulating β-globin gene expression. This study, if funded, will clarify the specific function of H2B ubiquitination in erythroid differentiation, and provide important insight for effective diagnosis or treatment of severe β-thalassemia.

β-地中海贫血症是一种β-珠蛋白合成不足或受阻引起的致死性新生儿遗传疾病。β-珠蛋白基因转录需要LCR区染色体结构松散，再由CTCF 等因子介导其LCR通过形成LOOP结构来靠近启动子进而使其转录。组蛋白修饰在染色体结构及基因转录调控等过程中有重要作用。而组蛋白泛素化修饰对于β-珠蛋白基因簇LCR区的LOOP形成的作用及其与重型β-地贫发病的关系还不得而知。我们前期研究发现，组蛋白H2B泛素化对于染色体结构改变有重要功能，并建立了β-地贫病人来源的iPS细胞系及诱导其定向发育为红系细胞的技术平台。本项目将利用ChIP-nexus和4C等技术研究H2B泛素化修饰在β-珠蛋白基因簇染色质LOOP结构形成中的作用机制及其在红系细胞发育过程中的具体功能。本研究还将绘制出正常及β-地贫来源的红系细胞发育过程中β-珠蛋白基因簇染色质LOOP的变化图谱，从而为重型β-地贫发病机制探索及诊疗提供新的思路。

β-globin基因簇表达异常是β-地中海贫血症的主要原因之一，已有报道同种globin基因簇亚基因突变类型的β-地中海贫血症有轻、中间及重型区分。而β-globin基因簇染色质结构的异常可能是轻型β-地中海贫血症转变为重型的原因之一。本项目就是从染色质结构变化角度作为契入点，综合运用细胞生物学、表观遗传学和高通量组学技术如RNA-seq、ChIP-exo、Hi-C等系统深入地分析了RNF20（H2Bub的E3连接酶）缺失后红系细胞的β-globin基因簇时空结构的变化。我们还研究了β-globin基因簇时空结构变化过程中H2Bub与组蛋白变体H2A.Z及染色质架构蛋白CTCF、YY1之间的相互关系及其作用机制。更进一步地，我们通过Hi-C技术拓展深入分析了H2Bub对于红系细胞整体基因组Compartment的影响。. 我们的研究发现了H2Bub与CTCF、YY1等互相协作，对β-globin基因簇LOOP结构变化有重要的作用，进而调控β-globin的基因簇亚基因的表达和红系细胞的发育。进一步的我们发现H2Bub与H2A.Z一起协作来影响CTCF在TAD区域内部的分布富集，亦即β-globin基因簇所在TAD的内部LOOP的两端3′HS和HS5的CTCF在H2Bub和H2A.Z缺失的情况下出现了增加，从而导致这个区域的TAD和LOOP结构更为紧密，当β-globin基因簇所在的染色质结构被紧紧的箍到一起，形成更紧凑的TAD区域，从而使得β-globin的一众亚基因趋于关闭沉默，这时就会使得同一位点突变导致的本来是轻型的β-地中海贫血症表现的更为严重。因此，一些可以改变染色质结构的表观遗传药物可能是β-地中海贫血症治疗的新思路和方案。