管仪婷/张东慧团队揭示转录因子ETS1激活染色质可及性调控纤毛基因转录程序的新机制

近日，广东医科大学附属湛江中心医院/湛江中心人民医院管仪婷及张东慧团队合作在Nucleic Acids Research杂志在线发表了题为“Recruitment of transcription factor ETS1 to activated accessible regions promotes transcriptional program of cilia genes”的研究论文。该研究通过探究全基因组范围内的染色质可及性在Ellis–van Creveld syndrome （EVC）纤毛疾病患者中的变化规律，揭示了由转录因子ETS1驱动的染色质可及性重分布在下游关键的纤毛基因网络调控中的重要作用。

在该项工作中，研究人员首先观察到EVC患者细胞中纤毛长度明显异常，转录组测序则进一步显示，与正常人相比，大量纤毛基因表达在EVC患者中异常升高。此外，表达上升的差异基因中分布也多与器官形态发生、代谢过程和免疫反应等多个调控纤毛疾病的信号通路相关，提示纤毛基因网络在EVC患者中的过度激活状态。基于该结果，研究人员利用染色质可及性测序手段（ATAC-seq）对患者的染色质活性动态分布进行了探究，并定义了两类差异染色质可及区域：EVC纤毛病特异激活的可及区(EVC ciliopathy-activated accessibility regions, CAAs) 以及特异失活的可及区(EVC ciliopathy-inactivated accessibility regions, CIAs)。研究显示，这两类差异染色质可及区域与启动子区域高度重合，且染色质可接近性状态与临近基因的表达程序存在正相关关系。其中，研究人员发现CAAs邻近基因中存在大量的表达上调的纤毛相关基因，且主要与形态发生等器官发育过程密切相关，提示CAAs参与调控纤毛基因网络的重要作用。进一步的模体分析及CUT&Tag数据显示，ETS家族中的成员ETS1在EVC患者中可被特异性招募至CAAs区域，并上调下游纤毛相关基因表达。ETS1在EVC患者中的表达是上调的，利用遗传学手段也进一步证明了异常表达的ETS1会引起纤毛结构和功能的异常。

为了进一步探究ETS1在维持CAAs活性进而调控下游纤毛基因网络的作用，研究人员对ETS1沉默后的全基因组染色质可及性进行了探究。研究发现，ETS1沉默将导致染色质可及性的广泛改变，尤其是CAAs区域染色质可及性的大量丢失，且丢失的区域与ETS家族结合位点密切相关；此外，敲低ETS1也引起了受CAAs调控的纤毛基因的表达下调，同时，包括Hedgehog在内的许多纤毛相关的信号通路在敲低ETS1后也受到了抑制，强调了ETS1在维持CAAs进而稳定纤毛基因表达调控的重要作用。

此外，研究人员还在斑马鱼模型上验证了ETS1在个体发育过程中的调控功能。研究显示，与正常发育的胚胎相比，敲低ETS1出现了许多典型的纤毛缺陷表型，包括身体弯曲，心包水肿和心脏不对称等。而在胚胎中过表达ETS1也会导致相似，但频次更少、症状更轻的纤毛缺陷表型。这一结果提示ETS1的精准表达对斑马鱼的发育是至关重要的。ETS1已被证明在血管生成中具有重要功能，研究人员发现，在斑马鱼胚胎中抑制/过表达ETS1会引起心脏泵血缺陷以及血液循环异常的情况，这可能也是导致其出现心包水肿的重要因素。行为学实验也提示，ETS1广泛影响幼鱼游泳能力，进一步强化了ETS1在个体发育中调控纤毛生长及器官发育的重要作用。总之，该项研究通过在全基因组水平绘制EVC纤毛疾病患者的染色质可及性图谱，从细胞和个体水平，阐释了激活的染色质可及性区通过招募转录因子ETS1重塑下游纤毛基因表达程序的新机制。该研究提出了表观遗传学方法在遗传疾病研究中的重要作用，为深入了解纤毛疾病的发病机制及其诊疗提供新的思路和理论依据。

该研究得到了广东省基础与应用基础研究基金、国家自然科学基金、湛江中心人民医院博士启动项目以及湛江市科技计划项目的支持。湛江市临床医学研究所细胞生物学实验室，SPF实验动物中心，斑马鱼平台，生物信息学分析平台为该研究提供了仪器与设备支持；北京大学陶伟教授、滕俊琳教授、西安交通大学的黄宁教授、广东医科大学附属医院/湛江中心人民医院儿科栗金亮主任以及新生儿重症科张定芬主任为该研究提供了宝贵意见。