Polycomb Group Proteins Regulate Chromatin Architecture in Mouse Oocytes and Early Embryos
本文需要一些對(duì)于Hi-C和染色質(zhì)不同層級(jí)構(gòu)象的背景知識(shí)(compartments和TADs)旷档，可以先看：http://www.360doc.com/content/19/0411/23/52645714_828152611.shtml
Highlights
- Hi-C analysis of meiotic chromatin architecture during mouse oocyte development
- Late-stage mouse oocytes show unique H3K27me3-marked Polycomb-associating domains
- PADs disassemble upon meiotic resumption but briefly reappear in early embryos
- PADs are regulated by Polycomb proteins and independent of cohesin
實(shí)驗(yàn)中主要用到的技術(shù)：
low-input Hi-C (genome-wide chromatin conformation capture)
背景
During gametogenesis and early embryogenesis, extensive epigenetic reprogramming occurs for histone modifications and DNA methylation
哺乳動(dòng)物的卵細(xì)胞發(fā)生過程中吗坚，染色質(zhì)經(jīng)歷了劇烈的構(gòu)象變化屿脐，但是具體的染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化仍然了解不多。本文作者利用低起始量Hi-C技術(shù)(sisHi-C)呼畸，發(fā)現(xiàn)在小鼠卵細(xì)胞發(fā)生過程中曾出現(xiàn)過一種獨(dú)特的染色質(zhì)三維構(gòu)象，即PADs(Polycomb-associating domains)肾砂。PADs會(huì)在減數(shù)分裂從雙線期恢復(fù)時(shí)解體并在受精后的母源染色質(zhì)中重現(xiàn)达布。
然而在去除PRC1蛋白以后，卵細(xì)胞內(nèi)的PADs減弱馅而，本文說明了polycomb復(fù)合物在哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞發(fā)生期間調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用祥诽。
Results
全局的染色質(zhì)組織結(jié)構(gòu)Global Chromatin Organization
作者收集了原生殖細(xì)胞PGC、胚胎干細(xì)胞mESC用爪、不同階段的卵細(xì)胞GO進(jìn)行了Hi-C數(shù)據(jù)分析與相互作用熱圖繪制原押。在數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)卵細(xì)胞本身的染色體間reads數(shù)量較PGC和mESC更少胁镐，且隨著卵細(xì)胞發(fā)育偎血，染色體間Reads數(shù)也減少诸衔，可能的原因是細(xì)胞核的體積增大造成染色體之間更分散。
上圖可以看出PGC和mESC比較相似颇玷，而有別與GO.最下面的熱圖放大笨农，可以看出卵細(xì)胞越發(fā)育到后期，較大范圍的相互作用明顯減少帖渠，而呈現(xiàn)出比較零散的狀態(tài)谒亦。
GOs II and FGOs appear to have a local compartment-like structure (described below), while MII oocytes entirely lack defined compartments but instead show a uniform chromatin interaction profile as reported before
作者還分析了不同發(fā)育階段細(xì)胞內(nèi)染色質(zhì)相互作用范圍的分布變化：
發(fā)育較晚期的細(xì)胞在(1–10 Mb)的互作信號(hào)值最強(qiáng)，而在(>50 Mb的水平上相較mESC則要低空郊。
濾泡發(fā)育期的PADs建立
接下來作者把重點(diǎn)放在生長和成熟期卵細(xì)胞的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化上份招。結(jié)合上述全局染色質(zhì)結(jié)構(gòu)中我們比較出晚期卵細(xì)胞的格子樣pattern消失，這意味著compartmentA和compartmentB的減弱狞甚。
作者應(yīng)用了PCA和相關(guān)性熱圖來尋找compartments(使用PCA鑒定大范圍compartments的文獻(xiàn)參考：Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome): 分辨精度是1Mb
可以看出mESC和GO1的compartments比較相似锁摔，然而在GOs II中，用PCA及相關(guān)性熱圖基本上找不到compartments哼审。在FGO中谐腰，發(fā)現(xiàn)了一種新的compartments（可以看出對(duì)應(yīng)的在PC1中的值為負(fù)，藍(lán)色涩盾，這里的正負(fù)可以根據(jù)基因密度進(jìn)行確定十气，positive value對(duì)應(yīng)compartmentA反之為B，或者就是correlation coefficient具體參考：https://www.nature.com/articles/nature14222）春霍。
放大來看砸西，實(shí)際上GOII和FGO都是一種比較細(xì)微的compartments，不如mESC這些范圍更大更明顯址儒。這些實(shí)驗(yàn)說明了在卵細(xì)胞發(fā)育過程中一種從conventional compartments到local chromatin compartments染色質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換籍胯。
不過之前文獻(xiàn)里介紹的這種PCA的方法只能部分捕獲FGO里的local compartments，其著眼點(diǎn)是在全局的染色質(zhì)互作上离福，對(duì)于更精細(xì)的local compartments內(nèi)的pattern效果不好（鑒于Hi-C數(shù)據(jù)是低密度的杖狼，作者使用了以前的sliding windows方法。一般是bin size of 400kb and the step size of
100kb）妖爷。并改進(jìn)了PCA方法蝶涩，使得其可以鑒定local interactions（改變bins和step的大小，(contact matrices of 10Mb bins, with step size of 5Mb, with bin size 20kb)）
由此絮识，基因組區(qū)域可以劃分成兩類：一類是有較強(qiáng)self-interactions和inter-domain interactions的compartments绿聘，如白色箭頭所示；一類是compartments間區(qū)次舌。同時(shí)為了更好地理解這些compartments的特性熄攘，作者比較了其location與FGOs已知的表觀遺傳tracks，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)相互作用的區(qū)域和H3K27me3相關(guān)（mESC作為對(duì)照沒有這種區(qū)域)彼念，把這種內(nèi)部有強(qiáng)相互作用且與H3K27me3關(guān)聯(lián)的染色質(zhì)區(qū)域稱作PAD（Polycomb-associating domains)挪圾，在PAD之間的區(qū)域稱作inter-PAD (iPAD)浅萧，相互作用強(qiáng)度從大到小依次為：PAD-PAD、iPAD-PAD哲思、iPAD-iPAD
除此之外洼畅，作者也對(duì)PADs/iPADs和其他的表觀遺傳tracks、染色質(zhì)構(gòu)象如compartments的feature以及分布進(jìn)行了比較棚赔。比如在不同細(xì)胞分布中的廣泛性帝簇，PAD只在GOs II和FGOs中有，而compartments則廣泛分布靠益；PAD 和iPAD之間在基因密度和GC偏倚上不如compartments明顯等等丧肴。
總結(jié)：
Taken together, our data reveal a unique PAD chromatin organization in late-stage oocytes that is distinct from conventional compartments A and B, typical Polycomb target interactions, and transcription-correlated compartmental domains.
PADs Do Not Require Cohesin
鑒于PADs和TADs的相似性，而TAD formation與cohesin有關(guān)胧后，作者想知道PADs的形成是否也與cohesin有關(guān)闪湾，于是敲除了cohesin蛋白重要亞基Scc1。然而在這種情況下PADs相互作用反而還加強(qiáng)了绩卤。這意味著cohesin對(duì)于PADs非必需途样，而且可能對(duì)它的形成有拮抗作用。
Dynamics of TADs and PADs during Oocyte Development
TAD的邊界可以分為三種濒憋，一種是和PAD邊界重合一致的何暇，一種是在iPAD內(nèi)的，一種是在PAD內(nèi)的凛驮。第一類在GOII以及FGO中都存在裆站，其他的則有消失趨勢。
以前文獻(xiàn)中有提到FGOs成熟會(huì)經(jīng)歷一個(gè)大范圍基因沉默和染色質(zhì)緊縮的過程(NSN to SN)黔夭，有沒有可能PADs與這種轉(zhuǎn)錄沉默有關(guān)宏胯？
PADS在NSN和SN均有存在，結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)證據(jù)本姥，也表明了PADs和轉(zhuǎn)錄沉默的建立沒有太大關(guān)系肩袍。
PADs Are Disassembled after Exiting from Diplotene Arrest but Briefly Reappear in Preimplantation Embryos
作者發(fā)現(xiàn)PADs and PAD/iPAD會(huì)經(jīng)歷解體又重建的過程，而且重建只會(huì)在maternal基因組上發(fā)生：
上圖展示了maternal基因組相對(duì)paternal基因組的HiC圖譜婚惫，箭頭示不同PADs之間的相互作用氛赐。在受精后胚胎的母系基因組上PADs發(fā)生重建(應(yīng)該是把Hi-C的reads根據(jù)不同品系的母源父源基因組在snp上的差異來assign)。
PADs in Oocytes and Early Embryos Depend on Polycomb Proteins
因?yàn)镻ADs和H3K27me3有關(guān)先舷，所以猜想經(jīng)典的polycomb可能與PADs的形成有關(guān)艰管。作者敲除了Eed,一種PRC2的關(guān)鍵組分。作者發(fā)現(xiàn)PRC2雖然對(duì)于PADs一開始的建立影響不大蒋川，但它和H3K27me3對(duì)于PADs在母源基因組上的重建是必需的：
除了PRC2牲芋，作者對(duì)PRC1也進(jìn)行了類似的探究。并應(yīng)用了RNA-seq探究PADs和基因表達(dá)的關(guān)系。
PRC1對(duì)于PADs相互作用是必須的：
Discussion
比較有趣的一個(gè)問題是為什么PADs僅在小鼠卵細(xì)胞中出現(xiàn)缸浦？在小鼠卵細(xì)胞發(fā)育過程中的compartmentsAB的減弱可能與染色質(zhì)更好地分離有關(guān)夕冲。
另一個(gè)問題是為什么PADs會(huì)在母源基因組受精以后重建？以及為什么PADs在2細(xì)胞期時(shí)互作最強(qiáng)餐济？
PADs在胚胎發(fā)育過程中到底有什么生物學(xué)功能？作者認(rèn)為可能和基因沉默保證正確的等位基因特異性表達(dá)有關(guān)：
These data support the possibility that perhaps PADs separate the oocyte genome into defined compartments to ensure proper gene repression. In mouse embryos, oocyte-inherited H3K27me3 domains play critical roles in instructing the allele-specific transcription of Xist gene and several other imprinted genes
后續(xù)研究需要進(jìn)一步探討PADs在胚胎發(fā)育和配子發(fā)生中的具體功能及其調(diào)控因子胆剧。
Reference
這篇文章用到的分析方法很豐富絮姆，可供參考：
