真核基因组DNA调控元件相互作用网络与细胞分化特异性基因表达调控研究

Chromosomes are the physical carriers of genetic information which adopt highly ordered structure and occupy discrete territories in the nucleus. Chromosome organization is dynamic during cell differentiation and affects the regulation of tissue-specific gene expression effected by the DNA regulatory elements. The interphase chromosome architecture facilitates the physical interaction between regulatory elements and their target genes and keeps some structure stable to maintain the normal expression of the housekeeping genes across different cell types. Our previous studies show that high eukaryotic chromosomes are partitioned into discrete physical domains in the interphase nucleus. The interactions between chromatin fragments, distribution of genes and their activity are highly correlative with the chromosome domain partition. It is a prerequisite to characterize the cis-regulatory elements globally by assessing their functions in order to better understand the formation of interaction network of chromatin regulatory elements and its functions in the fine-tuning of transcriptional activities. In this proposal, we will establish a system to screen the whole human genome to identify regulatory elements (such as enhancers and insulators) by their defined functions without bias. Furthermore, we will analyze the chromatin interaction network anchored specifically by the enhancers or insulators. The functional significance of DNA regulatory elements interacting network and the role of transcription factors in this network formation within the interphase chromosome organization will be explored. We expect that our work will contribute to a better understanding of the mechanisms behind genome organization as well as to the designing of novel strategy for transgenic therapy.

染色体是遗传信息的物质载体，其空间组织在细胞分化过程中不断改变，并影响DNA调控元件对基因特异性表达的精密调控。染色体的空间组织，一方面要满足调控元件和靶基因时空特异的相互作用以实现对基因转录水平的精细调节，另一方面需要一定的稳定性来维持管家基因的正常表达。以往的研究表明高等真核生物染色体在细胞间期以模块形式存在，染色质片断的相互作用、基因分布及活性与间期染色体的构象有关联。然而关于调控元件参与的染色体高级结构组织在分化细胞中基因特异性表达调控中的作用的研究尚很缺乏。本实验室将以人类基因组为研究模型，着重无差别地鉴定各类DNA调控元件，分析DNA调控元件参与形成的染色质三维空间网络，阐明各类DNA调控元件和蛋白因子在染色体高级结构形成和基因转录调控中的作用，解析染色体高级结构的形成规律。本项目将有助于深入理解染色体结构和功能间关系的空间组织方式，为转基因应用的实验设计提供理论指导。

真核生物基因表达的调控受到多种类型调控元件如启动子、增强子、隔离子和沉默子的严格调控，然而对多种类型调控元件的系统性、功能性和活性的量化分析一直缺乏，同时各类型调控元件间如何协同作用，共同调节靶基因的转录水平是该领域另一重要问题。我们重点研究个不同类型调控元件的高通量功能性定量活性检测方法，分析各类调控元件的序列和表观特征，并建立不同类型调控元件之间以及调控元件与靶基因间的相互作用网络关系，理清基因表达的复杂调控网络。通过建立STARR-seq技术，我们首次进行了水稻基因组增强子的活性定量分析，并揭示了水稻增强子与哺乳动物增强子之间在表观修饰方面的异同。在进行沉默子鉴定时，我们发现STARR-seq技术的缺陷，目前已经成功解决这一问题，为此后基于此技术的研究提升了技术可靠性。为了分析调控元件间及调控元件和基因间的相互作用相互作用，我们改善了现有in situ Hi-C技术，避免了扩增引入的偏差，提升了基于Hi-C技术研究染色质相互作用的可靠性。我们建立了鉴定增强子阻碍作用隔离子的高通量、功能性定量方法，并初步完成了果蝇隔离子的全基因组分析。对人类基因组的分析仍在快速推进中。水稻基因组增强子的分析揭示了同一类型调控元件在进化中可能具有不同的表观修饰特征和不同的作用机制。本项目的开展解决了多种类型调控元件功能性鉴定的难题，发现并解决了现有方法的缺陷，为本领域高可靠性研究奠定了基础。