中大新聞訊（通訊員歐陽宏）角膜緣干細胞（limbal stem cell，LSC）位于角膜與結膜交界處的角膜緣區域，在角膜上皮穩態維持、角膜透明性和完整性中發揮關鍵作用。哺乳動物成體干細胞的命運決定、可塑性、功能和特性主要由染色質的表觀遺傳結構和轉錄因子協同調控網絡決定。這些轉錄調控信息又編碼在染色質三維結構中。真核細胞的染色體通過特定的方式進行有序組裝，最終形成染色體高級結構。三維基因組為基因的時空表達調控奠定了結構基礎，與組織發育、細胞命運轉變、癌癥等密切相關。中山大學中山眼科中心歐陽宏教授團隊通過研究，發現了影響LSC功能和特性的染色質三維調控景觀。
2021年，中山大學中山眼科中心歐陽宏團隊在Nature communications上發表題為“Core transcription regulatory circuitry orchestrates corneal epithelial homeostasis”的研究論文，首次繪制了人類LSC的組蛋白修飾（H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3、H3K27me3）和染色質可及性圖譜，構建了基于超級增強子與轉錄因子相互作用的調控網絡，發現RUNX1、PAX6和SMAD3（RPS）形成的core transcription regulatory circuitry（CRC）決定了LSC的命運。然而，核心轉錄因子及表觀遺傳信息是如何偶聯三維基因組調控LSC功能和特性仍然未知。
2022年3月11日，歐陽宏團隊在Nature communications上發表了研究論文 “Comprehensive 3D epigenomic maps define limbal stem/progenitor cell function and identity”。 該研究借助Hi-C技術獲得了LSC的高分辨率染色質三維互作圖譜，揭示了LSC的染色體三維組裝，包括A/B compartments、topologically associating domains (TADs)、chromatin loops。并進一步結合表觀基因組、轉錄組、轉錄因子/CTCF/SMC1結合圖譜，通過多組學數據聯合分析，解析了染色質三維結構的表觀遺傳特征，鑒定了超級增強子（SE）和超級沉默子的互作網絡及關鍵轉錄因子的三維調控機制，闡明了影響LSC功能和特性的染色質三維調控景觀。
圖1. 研究流程模式圖
研究人員首先通過Hi-C數據在LSC中鑒定了A/B compartment、TAD和chromatin loop，并進一步揭示激活（H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3）和抑制（H3K27me3、H3K9me2）的組蛋白修飾在三維空間結構上分布規律。特別地，一部分H3K4me3陽性的激活啟動子之間會相互作用形成P-P loop結構。有趣的是，形成loop的兩個啟動子對應基因的表達水平存在顯著差異，其中一個promoter高表達，而另一個則低表達或不表達。由此推測，P-P loop中低表達或不表達的H3K4me3陽性啟動子此時可能扮演了增強子的角色。
研究人員將富含H3K27me3和H3K9me2的區域定義為超級沉默子。超級沉默子具有細胞特異性，更傾向于與同類型的轉錄抑制區域互作。與普通沉默子相比，超級沉默子是一段更大的區域，但是具有更低的互作頻率。超級沉默子覆蓋或互作的基因都展示了轉錄抑制。在病理狀態下，角膜組織的臨床表現包括炎癥、血管入侵、角質化、角膜結膜化、鱗狀細胞癌等。進一步研究發現，正常LSC中的超級沉默子覆蓋和互作的基因與眼發育、角膜上皮分化、免疫激活、血管生成、角質化等相關。特別地，在正常LSC中，結膜上皮基因、干眼癥關鍵基因MMP9和鱗狀細胞癌致癌基因等均被超級沉默子抑制。有趣的是，這些疾病基因的啟動子是H3K4me3/H3K27me3陽性的bivalent狀態，處于準備激活狀態。此外，原癌基因SOX2和皮膚上皮基因KRT1在被超級沉默子抑制的同時還與遠端的超級增強子相互作用，形成active-inactive pairwise contacts，為轉錄激活做好了準備。因此，該研究揭示了疾病基因被抑制和激活的染色質三維表觀結構基礎。
圖2. LSC中的超級沉默子抑制角膜疾病相關基因的表達
該研究進一步繪制了由SE-SE和SE-P loop形成的互作網絡，發現部分SE會與多個啟動子互作，部分啟動子也會與多個SE互作，一些SE通過與啟動互作的SE相互作用間接調控基因表達，形成了SE interaction hub。SE介導的互作loop限制在CTCF/cohesin-CTCF/cohesion 建立的insulated neighborhoods當中。綜上，團隊進一步構建了p63/RPS介導的SE-P互作網絡，揭示了關鍵轉錄因子的三維調控機制。
圖3. 編碼在LSC多層級基因組結構中的三維調控景觀
中山大學中山眼科中心、眼科學國家重點實驗室為本論文第一作者單位。李名森副研究員為本論文的第一作者，歐陽宏和劉奕志兩位教授是本論文的通訊作者。
