人类间充质干细胞（hMSCs）是一类具有分化潜能的多能基质细胞群，可以分化为脂肪细胞（AC）、成骨细胞（OB）、软骨细胞和肌肉细胞。hMSCs分化为AC和OB过程是由染色质结构的重塑和转录组/表观基因组变化驱动的，但具体变化细节仍不清楚。
近日，西安交通大学杨铁林教授团队在知名期刊Cell Death & Differentiation（IF：12.067）发表了研究文章“Lineage-specific rearrangement of chromatin loops and epigenomic features during adipocytes and osteoblasts commitment”。该研究诱导hMSCs分化为脂肪细胞和成骨细胞，通过Hi-C、ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq多组学分析，揭示了染色质环可以激活基因表达，通过增强子和开放染色质以谱系特异性的方式促进细胞分化，并验证了与脂肪生成和骨生成有关的基因（IRS2和RUNX2）的谱系特异性调控网络。该研究有助于更好地理解hMSCs命运分化的染色质构象决定因素。
图1 文章信息
该研究对hMSCs、AC和OB三种细胞进行了Hi-C、RNA-seq、ChIP-seq（H3K27ac和H3K4me1）和ATAC-seq实验，对间充质细胞的成骨/成脂分化过程的染色质环、mRNA转录、增强子以及染色质可及性进行了综合评估。利用这些数据，揭示了在脂肪形成和成骨形成过程中染色质环的谱系特异性重排和表观基因组特征。与hMSCs相比，OB中的互作频率明显升高，AC的显著减少。hMSCs、AC和OB三个谱系中的特异性染色质环分别是5682、4899个和5062个。在增强子信号和ATAC peaks分析中，hMSCs、AC和OB分别有128179、224322 和167451个潜在增强子，AC和OB中分别有138820和120209个 ATAC-seq peaks。hMSCs分化期间的谱系特异性染色质环富集有活跃的增强子。决定AC/OB分化的基因与谱系特异性染色质环距离很近，如脂肪生成相关基因APOE。
图2 APOE附近的AC特异性染色质环
进一步分析上述四种数据，发现谱系特异性染色质环协同特异性增强子对细胞命运决定甚为关键。谱系特异性基因和增强子注释的AC/OB特异性Motif peak与各个细胞中较高的Hi-C互作频率相关。筛选出了AC特异性基因22个，OB特异性基因40个，包括脂肪细胞功能基因PDK4、IRS2等，成骨细胞功能基因RUNX2、SIGLEC15等。
图3 染色质开放性分析揭示loop介导的转录调控因子
在hMSCs分化过程中，相当比例的TF同时与启动子和增强子结合。在筛选得到的20个AC特异性基因和40个OB特异性基因中，IRS2和RUNX2分别是AC和OB命运的必要基因。一个AC特异性染色质环连接有IRS2启动子和远端增强子。18个转录因子可能结合在IRS2启动子和远端增强子上，包括结构蛋白CTCF和YY1。对于RUNX2的OB特异性调控网络，RUNX2转录本的启动子与上游远端增强子特异性连接，并且有9个转录因子结合在这些调控元件，包括成骨调节因子STAT3。该研究还通过功能实验验证了转录因子IRS2和RUNX2通过特异性染色质环正向调控靶基因的表达。
图4 IRS2和RUNX2调控基因表达的机制
最后，该研究收集了GTEx项目的eQTL数据，并将SNP基因对映射到谱系特异性环上，发现脂肪eQTL和AC特异性染色质环显著相关，成骨细胞与淋巴细胞之间遗传变异的转录组效应有很大的重叠，淋巴细胞eQTL数据和OB特异性染色质环显著关联。AC和OB中分别有13和15个基因可能受到远端基因组变异的影响，有两个远端SNP与IRS2表达显著相关，这有助于进一步揭示潜在的“SNP-TF-基因”调控层级。
西安交通大学郝若涵助理教授、郭燕教授、王晨博士生为该论文的共同第一作者，杨铁林教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、陕西省创新能力支撑计划、中国博士后科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
参考文献：
Hao RH, Guo Y, Wang C, et al. Lineage-specific rearrangement of chromatin loops and epigenomic features during adipocytes and osteoblasts commitment. Cell Death & Differentiation, 2022: 1-16.
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