轉(zhuǎn)錄因子及表觀遺傳因素調(diào)控關(guān)系分析及模型構(gòu)建.pdf

1、轉(zhuǎn)錄因子與DNA序列相結(jié)合在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控基因的表達(dá)。在真核細(xì)胞中，轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合過程是高度依賴于局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的。真核細(xì)胞中染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體，核小體及其組蛋白修飾等表觀遺傳因素和轉(zhuǎn)錄因子共同構(gòu)成了真核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)周圍存在特定的核小體占據(jù)和組蛋白修飾的分布模式，因此，我們搜集各種轉(zhuǎn)錄因子以及核小體的相關(guān)數(shù)據(jù)以系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)周圍核小體占據(jù)以及組蛋白修飾的普遍性特征，并探討細(xì)胞特異性的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合

2、位點(diǎn)預(yù)測(cè)的模型，在特定細(xì)胞中建立轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)預(yù)測(cè)的方法。另外，轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)處的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)可能與結(jié)合位點(diǎn)相對(duì)于基因的位置、轉(zhuǎn)錄因子的功能以及轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合方式有關(guān)，分析其中的關(guān)聯(lián)將有助于我們理解轉(zhuǎn)錄因子與表觀遺傳因素之間的協(xié)同調(diào)控機(jī)制。
　　我們系統(tǒng)研究了轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合與核小體占據(jù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的兩側(cè)存在豐富的核小體占據(jù)模式，并且這些不同的核小體占據(jù)模式與基因的表達(dá)水平有關(guān)。大部分轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)只在一側(cè)有較好

3、的核小體定位，說明轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)周圍核小體的非對(duì)稱分布是更加普遍的特征;大約四分之一的結(jié)合位點(diǎn)在兩側(cè)有較好的核小體定位，這些結(jié)合位點(diǎn)主要位于遠(yuǎn)離核心啟動(dòng)子的區(qū)域，距離轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)較近的結(jié)合位點(diǎn)周圍的核小體占據(jù)模式由于受到RNA聚合酶等因素的影響而呈現(xiàn)出模糊的核小體定位;還有小部分結(jié)合位點(diǎn)被核小體占據(jù)，說明在這些位置轉(zhuǎn)錄因子是結(jié)合到核小體DNA的。進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)所調(diào)控的目標(biāo)基因發(fā)現(xiàn)結(jié)合位點(diǎn)周圍不同的核小體占據(jù)模式與基因的表達(dá)

4、水平有關(guān)。激活因子和抑制因子是與基因表達(dá)密切相關(guān)的兩類轉(zhuǎn)錄因子。與激活因子相比，細(xì)胞內(nèi)抑制因子結(jié)合位點(diǎn)周圍的核小體定位更好，這可能是因?yàn)橐种埔蜃拥慕Y(jié)合序列更傾向于形成核小體，在細(xì)胞內(nèi)抑制因子的結(jié)合更加依賴于核小體的動(dòng)態(tài)變化的緣故。深入分析激活因子和抑制因子所調(diào)控的目標(biāo)基因，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)核小體定位較好的抑制因子結(jié)合位點(diǎn)以及被核小體占據(jù)的激活因子結(jié)合位點(diǎn)所調(diào)控的目標(biāo)基因的表達(dá)水平明顯較低。這些結(jié)果將轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)周圍的核小體占據(jù)模式與基因的表

5、達(dá)水平聯(lián)系起來。
　　轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)周圍不僅存在特定的核小體占據(jù)模式，我們的研究結(jié)果還表明在轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)周圍存在特定的組蛋白標(biāo)記信號(hào)。我們將組蛋白變體和組蛋白修飾統(tǒng)稱為組蛋白標(biāo)記。H2A.Z、H3 K4me1、H3K4me2、H3K4me3、H3K9ac和H3K27ac在轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)兩側(cè)600 bp的范圍內(nèi)呈現(xiàn)雙峰分布，并且具有強(qiáng)的兩兩相關(guān)性，說明這六種組蛋白標(biāo)記主要位于轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)兩側(cè)的兩個(gè)核小體上。H3K4me1

6、與增強(qiáng)子區(qū)域有關(guān)，因此，H3K4me1的雙峰分布主要局限在遠(yuǎn)離核心啟動(dòng)子的區(qū)域。H3K79me2在轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)一側(cè)呈現(xiàn)單峰分布，并且信號(hào)最大值處距離轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)～720 bp。H4K20me1、H3K27me3、H3K36me3和H3K9me3信號(hào)則比較發(fā)散，在轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)處富集程度較低，但在富集位點(diǎn)處呈單峰分布，并且峰區(qū)域覆蓋結(jié)合位點(diǎn)，暗示有些轉(zhuǎn)錄因子是結(jié)合到核小體DNA上的。激活因子和抑制因子結(jié)合位點(diǎn)周圍核小體的占據(jù)模式

7、差異較大，但除H3K36me3和H3K9me3之外的組蛋白標(biāo)記在這兩類結(jié)合位點(diǎn)周圍卻有類似的分布模式。H3K36me3和H3K9me3兩種組蛋白標(biāo)記在抑制因子結(jié)合位點(diǎn)的一側(cè)信號(hào)較強(qiáng)，說明部分抑制因子可能在結(jié)合位點(diǎn)的一側(cè)建立異染色質(zhì)以抑制目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄。
　　轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)處的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅與結(jié)合位點(diǎn)相對(duì)于基因的位置以及轉(zhuǎn)錄因子的功能有關(guān)，而且還與轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合方式有關(guān)。我們定義了轉(zhuǎn)錄因子的三種結(jié)合方式:典型結(jié)合方式、共結(jié)合方式和

8、攬系結(jié)合方式，其中，攬系結(jié)合方式表示轉(zhuǎn)錄因子通過其他轉(zhuǎn)錄因子間接與DNA序列結(jié)合，而典型結(jié)合方式和共結(jié)合方式則基于轉(zhuǎn)錄因子與DNA序列的直接結(jié)合。典型結(jié)合位點(diǎn)和共結(jié)合位點(diǎn)周圍存在類似的核小體占據(jù)和組蛋白標(biāo)記水平，但攬系結(jié)合位點(diǎn)周圍核小體的占據(jù)水平相對(duì)較低，H2A.Z、H3K4me1、H3K4me2、H3K4me3、H3K9ac、H3K27ac和H3K79me2組蛋白標(biāo)記的水平相對(duì)較高，并且攬系結(jié)合位點(diǎn)更可能位于DNaseⅠ高敏感區(qū)域內(nèi)。

9、這些證據(jù)說明攬系結(jié)合位點(diǎn)周圍的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)更加開放，這可能與轉(zhuǎn)錄因子的遠(yuǎn)程相互作用有關(guān)。
　　根據(jù)轉(zhuǎn)錄因子與表觀遺傳因素調(diào)控關(guān)系的分析結(jié)果，最后我們整合組蛋白標(biāo)記數(shù)據(jù)構(gòu)建細(xì)胞特異性的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)預(yù)測(cè)模型。通過聚類或提取關(guān)鍵組蛋白標(biāo)記的方式來處理組蛋白標(biāo)記數(shù)據(jù)，并結(jié)合DNaseⅠ酶切數(shù)據(jù)在CD4+T細(xì)胞中預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)可以提高預(yù)測(cè)的召回率，但預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率卻不同程度地降低。為了保證預(yù)測(cè)模型同時(shí)具有較高的準(zhǔn)確率和召回率，我們進(jìn)一步