The 3D genome in transcriptional regulation across the postnatal life span, with implications for schizophrenia and bipolar disorder
3D 基因组在整个出生后生命周期中的转录调控,对精神分裂症和躁郁症的影响
基本信息
- 批准号:10172978
- 负责人:
- 金额:$ 116.37万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2018
- 资助国家:美国
- 起止时间:2018-09-01 至 2023-05-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalATAC-seqAddressAgeAntibodiesAstrocytesBipolar DisorderBrainBrain regionCRISPR/Cas technologyCell NucleusCellsChIP-seqChromatinChromatin LoopCommunitiesComplexCorpus striatum structureCoupledDataData SetDiseaseEP300 geneEnhancersFluorescenceFunctional disorderFutureGene ExpressionGene Expression RegulationGenesGenetic Enhancer ElementGenetic RiskGenomeGlutamatesGoalsHaplotypesHippocampus (Brain)HumanJointsLinkLongevityMapsMolecularNeuronsOligodendrogliaPopulationQuantitative Trait LociRNARegulator GenesRegulatory ElementResearchResolutionResourcesRiskSOX6 geneSchizophreniaSorting - Cell MovementSpecificityStructureSystemThalamic structureTissuesTranscriptTranscriptional RegulationUntranslated RNAWorkbrain tissuecell typedesigndisorder riskepigenomeepigenomicsexpectationgenome wide association studygenomic locushigh dimensionalityin vitro Modelinduced pluripotent stem cellinnovationinsightmultidimensional dataneuropsychiatric disorderpostnatalpromoterrisk variantschizophrenia risksingle cell analysisspatiotemporaltherapeutic developmenttranscriptometranscriptome sequencing
项目摘要
PROJECT SUMMARY
Genome wide association studies of complex neuropsychiatric diseases, including schizophrenia (SCZ) and
bipolar disorder (BD), have identified numerous risk loci that are mostly situated in non-coding regions,
necessitating a systematic study of non-coding regulatory elements. It has also been established that SCZ risk
loci are preferentially located within promoter and enhancer regulatory sequences of neurons and that they co-
localize with expression Quantitative Traits Loci (eQTL), thus implicating specific genes. However, work that
has been performed to-date has limited spatiotemporal resolution as: (1) only a few cortical regions have been
examined, (2) the effect of 3D genome on transcriptional regulation across the lifespan has never been
examined, and (3) studies have been limited to homogenate brain tissue or include only broadly defined
neuronal and non-neuronal populations. To address these limitations, we will generate cell type-, brain region-
and age period-specific high-dimensional data that will inform us of the effect of 3D genome on the
transcriptional regulation and will link regulatory elements with specific transcripts. In Aim 1, we will examine
the impact of SCZ and BD risk variants on 3D genome structure and transcriptional regulation. We will use
fluorescence activated nuclei sorting to isolate glutamatergic and GABAergic neuronal as well as
oligodendrocyte and astrocyte nuclei from five human cortical and subcortical regions relevant to SCZ and BD
across five postnatal age periods. We will then generate cell-type specific annotations for gene expression and
enhancer RNA (RNA-seq and CAGE-seq), open chromatin (ATAC-seq), insulators (CTCF ChIP-seq), active
enhancers and promoters (H3K27ac and H3K4me3 ChIP-seq), and chromatin loop interactions (HiC and
Capture-C). Using the resulting data, we will delineate cis transcriptional regulation associated with the 3D
genome (including promoter-enhancer loopings) and uncover the functional consequences of SCZ and BD risk
loci on enhancer-transcript units. In Aim 2, we will examine the impact of SCZ and BD risk variants on cell
type-specific gene expression and epigenome QTLs. We will map RNAseq and ATACseq at the single cell
level and will use cell type-specific markers and deconvolution approaches to the existing large scale
transcriptome and epigenome datasets, from CommonMind consortium, psychENCODE and other projects, in
order to generate cell type-specific expression and epigenome QTLs. We will then co-localize SCZ and BD risk
loci with expression and fine map epigenome QTLs to define disease-associated enhancer-transcript units.
Finally, in Aim 3, we will validate disease-associated enhancer-transcript units by epigenomic editing of risk loci
in iPCS-derived cells. We will apply the CRISPR/Cas9 to activate (p300) or inhibit (KRAB) enhancers of the
disease-associated enhancer-transcript units (Aims1-2). Lastly, we will introduce epigenomic perturbations and
characterize gene expression, chromatin accessibility and chromatin loop interactions in hiPSC-derived cells. It
is our expectation that these integrated analyses will enable us to assign specific regulatory units within SCZ
and BD risk haplotypes to specific cell types, brain regions and age windows, thereby providing insight into the
mechanisms of genetic risk for SCZ and BD.
项目概要
复杂神经精神疾病的全基因组关联研究,包括精神分裂症(SCZ)和
双相情感障碍(BD),已经确定了许多主要位于非编码区域的风险位点,
需要对非编码调控元件进行系统研究。还确定了 SCZ 风险
基因座优先位于神经元的启动子和增强子调控序列内,并且它们共同
通过表达数量性状基因座 (eQTL) 进行定位,从而暗示特定基因。然而,工作
迄今为止已进行的时空分辨率有限,因为:(1)仅对少数皮质区域进行了
检查发现,(2) 3D 基因组对整个生命周期转录调控的影响从未被研究过。
检查,并且(3)研究仅限于匀浆脑组织或仅包括广泛定义的
神经元和非神经元群体。为了解决这些限制,我们将生成细胞类型、大脑区域
以及特定年龄阶段的高维数据,这些数据将告诉我们 3D 基因组对
转录调控并将调控元件与特定转录本连接起来。在目标 1 中,我们将检查
SCZ 和 BD 风险变异对 3D 基因组结构和转录调控的影响。我们将使用
荧光激活细胞核分选以分离谷氨酸能和 GABA 能神经元以及
来自与 SCZ 和 BD 相关的五个人类皮质和皮质下区域的少突胶质细胞和星形胶质细胞核
跨越五个产后年龄阶段。然后我们将为基因表达生成细胞类型特异性注释
增强子 RNA(RNA-seq 和 CAGE-seq)、开放染色质 (ATAC-seq)、绝缘体 (CTCF ChIP-seq)、活性
增强子和启动子(H3K27ac 和 H3K4me3 ChIP-seq)以及染色质环相互作用(HiC 和
捕获-C)。使用所得数据,我们将描述与 3D 相关的顺式转录调控
基因组(包括启动子-增强子环)并揭示 SCZ 和 BD 风险的功能后果
增强子转录单位上的基因座。在目标 2 中,我们将研究 SCZ 和 BD 风险变异对细胞的影响
类型特异性基因表达和表观基因组 QTL。我们将在单细胞上绘制 RNAseq 和 ATACseq
水平,并将使用细胞类型特异性标记和反卷积方法来实现现有的大规模
转录组和表观基因组数据集,来自 CommonMind 联盟、psychENCODE 和其他项目,
以生成细胞类型特异性表达和表观基因组 QTL。然后我们将共同定位 SCZ 和 BD 风险
具有表达和精细图谱表观基因组 QTL 的基因座,用于定义与疾病相关的增强子转录单位。
最后,在目标 3 中,我们将通过风险位点的表观基因组编辑来验证疾病相关的增强子转录单元
在 iPCS 衍生的细胞中。我们将应用 CRISPR/Cas9 来激活 (p300) 或抑制 (KRAB) 的增强子
疾病相关增强子转录单位(Aims1-2)。最后,我们将介绍表观基因组扰动和
表征 hiPSC 衍生细胞中的基因表达、染色质可及性和染色质环相互作用。它
我们期望这些综合分析将使我们能够在 SCZ 内分配特定的监管单位
和 BD 风险单倍型到特定的细胞类型、大脑区域和年龄窗口,从而提供对
SCZ 和 BD 遗传风险机制。
项目成果
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