题目：LHX2- and LDB1-mediated trans interactions regulate olfactory receptor choice
期刊：Nature
影响因子：41.577
研究背景
我们的鼻子可以帮助我们感知到玫瑰花香、茉莉花香等各种不同的味道，是什么保证了我们能拥有这嗅觉了？哥伦比亚大学的研究人员借助Hi-C基因组测序技术，首次在哺乳动物的细胞核内发现一种巧妙的三维重排机制。
研究内容及结果
1. 反式分隔来源于OSN分化
首先，作者分析了荧光活化细胞（FAC）分化的成熟嗅觉神经元（mOSNs），它代表了有丝分裂后的神经元的最终分化，其被视为小鼠嗅觉感受器（OR）的异质性。在成熟嗅觉神经元的原位Hi-C结果中显示了广泛的染色体间相互作用，相当于Hi-C总接触的35.6%，其与之前的成像结果一致。放大的基因组视图显示，在OR基因簇与中间的OR簇之间存在很强的OSN-specific反式接触，有大约7.5%的Hi-C接触点从不同的染色体映射到OR簇（图1a,b）。聚合峰分析(APA)和无偏室预测证实大多数OR簇参与OR选择性多染色体的组装（图1b），值得注意的是，在mOSNs中，OR簇间的反式接触仅占所有染色体间接触的0.25%，但在1000个最强的反式Hi-C接触中占50%。在分化程度更高的直接神经元前体(INPs)中，反式OR接触丰富，但比在mOSNs少；顺式OR簇间的相互作用程度与mOSNs一致。因此，OR基因间隔以分层的方式形成，顺式接触首先出现，反式作用随着分化而加强。
OR隔间内，63常染色质的Greek islands代表Hi-C“hotspots”中特殊和频繁的顺式和反式接触（图1d，e）。在INPs中，每个细胞中有多个OR基因被弱转录。虽Greek islands之间相互作用，但在mOSNs中缺乏焦点接触分布。分化增强和反式交互规范化是大多数Greek islands的特性(图1 f, g)。总而言之，在mOSNs中，Greek island Hi-C接触点中4.5%与其他Greek island有接触，其中一半为反式（图1f）。值得注意的是，这超过了Greek islands顺式长交互中LHX2和EBF共结合基因间序列的平均和累积频率(图1g)。
图1 OSN分化过程中，Greek islands之间形成的染色体间接触与OR基因簇间接触以及局部染色体间接触
2. Greek islands促进区域划分
为了系统的剖析Greek island的相互作用，作者探讨了这些增强子核心序列的作用。在mOSNs的原位Hi-C中， islands H（2kb）、Lipsi（1kb）和Sfaktiria （0.6 kb）的纯合子缺失，在包含这些缺失的基因组bins和剩余的Greek islands之间反式相互作用减少，这种效应延伸至较宽的基因组距离（图2a-c）。值得注意的是，积累的反式Greek island接触减少与在细胞中观察到的OR基因的转录下调相关图2c)。小至0.6 kb的DNA在数百个碱基上协调基因组接触，类似于ZIP元素影响酵母菌或Igk增强子的核定位，从而影响了pre-B细胞中免疫球蛋白位点的定位。三重增强子删除对集群的影响表明，这些额外的序列参与OR集群之间的交互。
图2 Greek islands增强子缺失对集群的影响
3. 蛋白质的区域化调节
接下来，作者研究了Greek-island-bound结合转录因子在ORs区隔中的作用，在水平基底细胞（HBCs）中删除LHX2，然后用甲基咪唑诱导这些细胞分化，以TdTomato强度为标记，鉴定了细胞群体，其中最暗的是由HBC-衍生的INPs和mOSNs组成。荧光活化细胞FAC-sorted的RNA测序（RNA-seq）结果显示，LHX2的早期缺失导致嗅觉神经元（OSN）谱系发育迟缓，INP-特异性标志物增多。考虑到分化缺陷和可能的细胞标识变化，FAC-sorted细胞反式OR和反式 Greek island 接触明显减少(图3a-d)。在早期的LHX2敲除细胞中，染色体间相互作用的频率仍然很高，但在1000个最强的反式接触中OR-OR接触仅占16%。在mOSNs中LHX2的晚期缺失也减少了反式OR接触，但没有早期缺失多(图3a, c)。LHX2的缺失使Greek islands之间的反式接触和远距离顺式接触减少(图3b, d)，与OR下调相一致。
为了了解LHX2是如何稳定的与Greek island接触的，作者研究了LHX2（LIM区域蛋白)是否招募了边缘结合蛋白(LDB1)。作者对LDB1进行的染色质免疫沉淀和测序(ChIP-seq)，发现mOSNs与LHX2峰有密切重叠。与此一致的是，每个Greek island都以LHX2-dependent的方式被LDB1绑定。在mOSNs中删除LDB1，导致反式Greek island和远距离顺式Greek island相互作用的强烈减少(图4a, b)，OR集群之间反式交互减少，在全基因组中效应更弱。值得注意的是，RNA-seq显示LDB1的缺失导致ORs广泛的转录下调(图4c)，其可能受限于OR家族（图4d）。
图3 LHX2是Greek island中心形成OR分隔以及装配和稳定的基础
图4 LDB1是Greek island中心稳定和OR转录的基础
4. Greek island中心与活跃的OR基因有关
为了检测Greek island中心是否通过与OR基因直接相互作用调节OR转录，作者在OR基因 Olfr16、Olfr17和Olfr1507进行了原位Hi-C实验。在这些OSN种群中，整体OR集群网络与Greek island的相互作用在很大程度上是相同的，但也观察到OSN类型特异性变异。然而，在每一种OSN类型中，转录活跃的OR始终与Greek islands形成频繁的相互作用。例如，在OLFR16+ OSNs中，OLFR16位点与Greek islands的顺式长交互和反式相互作用强烈，5%的Hi-C接触点映射到Olfr16。在OLFR17+OSNs和OLFR1507+ OSNs中，它主要与附近的Greek islands相互作用(图5a, b)。值得注意的是，在OLFR16+细胞中，相对于完整的OR谱，Greek island上的联系在Olfr16位点得到额外的加强(图5b， 5c)。因此，通过基因与Greek islands的累积相互作用，原位Hi-C可以准确地从近1000个基因中识别到转录活跃的OR。
图5 Greek island中心与OR特异性转录活性位点的相互作用
文章小结
本文作者利用原位Hi-C、RNA-seq等技术，发现小鼠嗅觉感受器OR基因间隔以分层的方式形成，顺式接触首先出现，反式作用随着分化而加强。OR隔间内的Greek islands增强子的缺失对集群之间的交互有影响，转录因子LHX2的缺失使Greek islands之间的反式接触和远距离顺式接触减少，并发现边缘结合蛋白LDB1是Greek island中心稳定和OR转录的基础。最后通过原位Hi-C实验，发现Greek island中心通过与OR基因直接相互作用调节OR转录。
解析文献
Kevin Monahan, Adan Horta, et al. LHX2- and LDB1-mediated trans interactions regulate olfactory receptor choice [J]. Nature, 2019, 565 , 448–453.
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Hi-C是以整个细胞核为研究对象，利用高通量测序技术，结合生物信息分析方法，研究全基因组范围内整个染色质DNA在空间位置上的关系，获得高分辨率的染色质调控元件相互作用图谱。Hi-C可以与RNA-Seq、ChIP-Seq、ATAC-Seq等数据进行联合分析，从基因调控网络和表观遗传网络来阐述生物体性状形成的相关机制。
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