マウス肝臓では、コヘシンとCTCFのルーピングによって誘導された3次元ゲノム構造が、性差のあるクロマチン相互作用と遺伝子発現に影響を与えている

Impact of 3D genome organization, guided by cohesin and CTCF looping, on sex-biased chromatin interactions and gene expression in mouse liver.

• Bryan J Matthews
• David J Waxman

抄録

マウス肝臓では、性差のある数千の遠位エンハンサーが同定されているが、性差遺伝子との関連性や、核内構造やクロマチン相互作用における性差がどのように影響するかは不明である。これらの問題を解決するために、我々はまず、コヘシンとCTCFという2つの重要な3次元核組織化因子に性差を示す1847個の肝臓ゲノム領域の特徴を明らかにした。これらの性差結合部位は、主に性差遺伝子の遠位に位置していたが、性差TAD（トポロジカル・アソシエーティング・ドメイン）やTAD内ループアンカーはほとんど発生しておらず、性差遺伝子のないTAD内に見られることもあった。また、コヘシンとCTCFの結合部位には、性差のあるエンハンサーは存在しなかったが、コヘシンとCTCFの結合部位には性差のあるエンハンサーは存在した。コヘシンの枯渇は、遠位に性に偏ったエンハンサーを持つ男性に偏った遺伝子の発現を10倍以上減少させたが、近位に性に偏ったエンハンサーは減少させなかった。染色体コンフォメーションキャプチャー塩基配列解析(4C-seq)を用いて、遠位の性差エンハンサーとプロモーターの相互作用には共通の性差があることを明らかにした。その結果、性差に依存しないコヘシン-CTCFアンカーを持つTADループは、性差に依存したエンハンサー-プロモーター間の相互作用を遮断し、性差に依存した遺伝子を性差に依存したエンハンサーに近づけることで、間接的にクロマチン相互作用に性差特異性を付与していた。さらに、性に偏った遺伝子プロモーター、エンハンサー、ncRNAを含む性差のあるクロマチン相互作用は、コヘシンやCTCFの性に偏った結合と関連していた。これらの研究は、コヘシンとCTCFのループ化が、性差のある遺伝子の遠位エンハンサーとの相互作用に直接的および間接的に影響を与え、非生産性組織における性差のある遺伝子発現にどのような影響を与えているかを明らかにした。

Several thousand sex-differential distal enhancers have been identified in mouse liver; however, their links to sex-biased genes and the impact of any sex-differences in nuclear organization and chromatin interactions are unknown. To address these issues, we first characterized 1847 mouse liver genomic regions showing significant sex differential occupancy by cohesin and CTCF, two key 3D nuclear organizing factors. These sex-differential binding sites were primarily distal to sex-biased genes but rarely generated sex-differential TAD (topologically associating domain) or intra-TAD loop anchors, and were sometimes found in TADs without sex-biased genes. A substantial subset of sex-biased cohesin-non-CTCF binding sites, but not sex-biased cohesin-and-CTCF binding sites, overlapped sex-biased enhancers. Cohesin depletion reduced the expression of male-biased genes with distal, but not proximal, sex-biased enhancers by >10-fold, implicating cohesin in long-range enhancer interactions regulating sex-biased genes. Using circularized chromosome conformation capture-based sequencing (4C-seq), we showed that sex differences in distal sex-biased enhancer-promoter interactions are common. Intra-TAD loops with sex-independent cohesin-and-CTCF anchors conferred sex specificity to chromatin interactions indirectly, by insulating sex-biased enhancer-promoter contacts and by bringing sex-biased genes into closer proximity to sex-biased enhancers. Furthermore, sex-differential chromatin interactions involving sex-biased gene promoters, enhancers, and lncRNAs were associated with sex-biased binding of cohesin and/or CTCF. These studies elucidate how 3D genome organization impacts sex-biased gene expression in a non-reproductive tissue through both direct and indirect effects of cohesin and CTCF looping on distal enhancer interactions with sex-differentially expressed genes.