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

摘要 哺乳动物大脑中的有丝分裂后神经元形成突触，其在整个神经元周期中动态地重塑。 编码短期和长期记忆。 突触可塑性涉及时空的精细调控 调节基因表达水平以响应环境刺激，包括快速转录 以分钟为时间尺度的即时早期基因和更长时间的整体染色质重塑。 顺式-反式 控制活性依赖性表达的作用遗传和表观遗传元件具有突出的意义 来理解经验是如何塑造大脑的。在这里，我们提交了一份题为"阐明3-D 哺乳动物神经元中活性依赖性基因表达的表观遗传决定因素。我们已经组建 一个跨学科的团队，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 长链成环相互作用、线性基因组上的表观遗传修饰、 空间靶基因和哺乳动物神经元的活性。 我们假设即刻早期基因 在功能上参与单一的短距离循环，以秒为时间尺度迅速激活表达， 分钟，以响应神经元激活的环境刺激。相比之下，我们认为， 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 使基因组在数小时到数天的时间内进行第二波表达 对神经元放电的反应。 为了验证我们的假设，我们将创建高分辨率的基因组折叠图， 在小鼠海马神经元激活的时间过程中使用Hi-ACXC。 我们将确定活动- 依赖性增强子和基因表达的基因组范围内，并确定其时间分布， 预先形成的和活动依赖的环。 我们将制定数学模型来预测活动依赖性 从增强子激活的时间开始立即早期基因和次级应答基因的表达 和循环触点。通过整合与自闭症，精神分裂症，双相情感障碍， 成瘾和注意力缺陷多动障碍的模型，我们将预测特定的靶基因 和神经系统疾病的潜在通路。 最后，我们将剖析循环的功能作用 和增强子活性，使用CRISPR调节Bdnf和c-fos的活性依赖性转录 结构蛋白结合基序的基因组编辑和特异性增强子的CRISPRi抑制。 我们的工作 将揭示哺乳动物神经元中基因组的长程相互作用， 之间的3-β D表观基因组和转录反应的动力学环境刺激 神经元激活

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.