Elucidating the 3-D epigenetic determinants of activity-dependent gene expression in mammalian neurons

阐明哺乳动物神经元活动依赖性基因表达的 3-D 表观遗传决定因素

• 批准号: 10545070
• 负责人: Jennifer Elizabeth Phillips-Cremins
• 金额: $ 50.77万
• 依托单位: UNIVERSITY OF PENNSYLVANIA
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2020-02-01 至 2024-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10545070
• 关键词: 3-Dimensional; Architecture; Attention deficit hyperactivity disorder; Bipolar Disorder; Brain; Brain Diseases; CCCTC-binding factor; CRISPR interference; CRISPR-mediated transcriptional activation; Cell Nucleus; Chromatin; Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats; Complex; Computational Biology; Defect; Detection; Dimensions; Disease; Electrophysiology (science); Elements; Embryo; Engineering; Enhancers; Environment; Epigenetic Process; FOS gene; Foundations; Gene Expression; Gene Expression Regulation; Genes; Genetic; Genetic Transcription; Genome; Genomics; Guide RNA; Hi-C; Hippocampus; Hour; Immediate-Early Genes; In Vitro; Individual; Kinetics; Knowledge; Link; Mammalian Cell; Maps; Modeling; Modification; Molecular; Mus; Neurobiology; Neurons; Pathway interactions; Process; Protein Binding Domain; Proteins; Research Personnel; Resolution; Role; Schizophrenia; Single Nucleotide Polymorphism; Slice; Stimulus; Structure; Synapses; Synaptic plasticity; Testing; Time; Up-Regulation; Work; YY1 Transcription Factor; addiction; autism spectrum disorder; cell type; chromatin remodeling; embryonic stem cell; epigenome; experience; genome editing; genome-wide; genomic locus; high dimensionality; imaging study; in vivo; innovation; interest; long term memory; mathematical model; nervous system disorder; neural; neural circuit; postmitotic; predictive modeling; public health relevance; response; spatiotemporal; stem; synaptogenesis; ultra high resolution

Abstract  Post-­mitotic  neurons  in  the  mammalian  brain  form  synapses  that  dynamically  remodel  throughout  an  individual’s  lifetime  to  encode  short-­  and  long-­term  memories.  Synaptic  plasticity  involves  spatiotemporal  fine-­ tuning  of  gene  expression  levels  in  response  to  environmental  stimuli,  including  rapid  transcription  of  immediate  early  genes  on  the  time  scale  of  minutes  and  longer-­term  global  chromatin  remodeling.  The  cis-­ acting  genetic  and  epigenetic  elements  that  govern  activity-­dependent  expression  are  of  outstanding  interest  toward understanding how experiences sculpt the brain. Here, we submit a proposal entitled ‘Elucidating the 3-­ D epigenetic determinants of activity-­dependent gene expression in mammalian neurons’. We have assembled  an  interdisciplinary  team  with  critical  expertise  in  genome  folding,  epigenetics,  chromatin  engineering,  neurobiology,  synaptogenesis,  electrophysiology,  and  computational  biology.  We  aim  to  elucidate  the  causal  link among long-­range looping interactions, epigenetic modifications on the linear genome, expression of their  spatial  target  genes,  and  the  activity  of  mammalian  neurons.  We  hypothesize  that  immediate  early  genes  will  functionally engage in singular short-­range loops to rapidly activate expression on the time scale of seconds to  minutes in response to the environmental stimulus of neuronal activation. By contrast, we posit that secondary  response  genes  will  spatially  connect  via  architectural  proteins  into  complex,  long-­range,  pre-­existing  topological  configurations  to poise  the genome  for  a  second  wave  of  expression  on  the order  of  hours  to  days  in  response  to  neuronal  firing.  To  test  our  hypotheses,  we  will  create  high-­resolution  genome  folding  maps  using  the  Hi-­C  during  a  time  course  of  activation  in  mouse  hippocampal  neurons.  We  will  identify  activity-­ dependent  enhancers  and  gene  expression  genome-­wide  and  determine  their  temporal  profile  with  respect  pre-­formed and  activity-­dependent  loops.  We  will formulate  mathematical  models  to predict  activity-­dependent  expression  of  immediate  early  genes  and  secondary  response  genes  from  the  timing  of  enhancer  activation  and looping contacts. By integrating single nucleotide variants linked to autism, schizophrenia, bipolar disorder,  addiction,  and  attention-­deficit/hyperactivity  disorder  with  our  models,  we  will  predict  the  specific  target  genes  and  potential  pathways  involved  in  neurological  disease.  Finally,  we  will  dissect  the  functional  role  for  loops  and  enhancer  activity  in  regulating  the  activity-­dependent  transcription  of  Bdnf  and  c-­fos  using  CRISPR  genome  editing  of  architectural  protein  binding  motifs  and  CRISPRi  inhibition  of  specific  enhancers.  Our  work  will  uncover the genome’s  long-­range  interaction  landscape  in  mammalian neurons and  reveal  the causal  link  between  the  3-­D  Epigenome  and  the  kinetics  of  transcriptional  response  to  environmentally  stimulated  neuronal activation.

抽象的  哺乳动物大脑中的有丝分裂后神经元形成突触，在整个过程中动态重塑  个人的一生来编码短期和长期记忆。  突触可塑性涉及时空精细- 响应环境刺激而调整基因表达水平，包括快速转录  以分钟为单位的即时早期基因和长期全局染色质重塑。  顺式 控制活性依赖性表达的作用遗传和表观遗传元件引起了人们的极大兴趣  旨在了解经验如何塑造大脑。 在这里，我们提交了一份题为“阐明 3- 哺乳动物神经元活动依赖性基因表达的表观遗传决定因素。 我们已经集合了  跨学科团队，在基因组折叠、表观遗传学、染色质工程、  神经生物学、突触发生、电生理学和计算生物学。  我们的目标是阐明因果关系  长程循环相互作用之间的联系、线性基因组的表观遗传修饰、它们的表达  空间目标基因和哺乳动物神经元的活动。  我们假设立即早期基因将  功能性地参与单一短程循环，以秒为单位快速激活表达  分钟响应神经元激活的环境刺激。 相比之下，我们假设次要的  反应基因将通过结构蛋白在空间上连接成复杂的、长距离的、预先存在的  拓扑结构，使基因组在几小时到几天的时间内进行第二波表达  响应神经元放电。  为了测试我们的假设，我们将创建高分辨率基因组折叠图  在小鼠海马神经元的激活过程中使用 Hi-C。  我们将识别活动- 依赖增强子和全基因组基因表达，并尊重地确定它们的时间概况  预先形成的且依赖于活动的循环。  我们将制定数学模型来预测活动依赖性  根据增强子激活的时间立即早期基因和次级反应基因的表达  和循环联系人。 通过整合与自闭症、精神分裂症、躁郁症相关的单核苷酸变异，  通过我们的模型，我们可以预测特定的目标基因  以及涉及神经系统疾病的潜在途径。  最后，我们将剖析 for 循环的功能角色  和使用 CRISPR 调节 Bdnf 和 c-fos 的活性依赖性转录的增强子活性  结构蛋白结合基序的基因组编辑和特定增强子的 CRISPRi 抑制。  我们的工作  将揭示哺乳动物神经元中基因组的远程相互作用景观，并揭示因果关系  3-D 表观基因组与环境刺激转录反应动力学之间的关系  神经元激活。