Lhx2和LDB1介导的反式相互作用调控嗅觉受体的选择

嗅觉受体基因含有1000多个成员，是哺乳动物中最大的基因家族。这些基因的表达遵循“一个神经元，一个受体”法则，即在一个成熟嗅觉神经元中只表达一个嗅觉受体基因其中一个等位基因。那么，嗅觉受体的基因选择是如何被调控的呢？StavrosLomvardas实验室2014年发表在Cell上的文章（Enhancer Interaction Networks as a Means forSingular Olfactory Receptor Expression）发现OR增强子的反式相互作用调控OR的转录。他们实验室2017年发表在eLife上的文章（Cooperative interactions enable singular olfactoryreceptor expression in mouse olfactory neurons）转录因子Lhx2和Ebf相互协同，结合在OR增强子上，帮助多个增强子形成enhancer hub，从而调控OR转录。然而，增强子与活化的OR等位基因的相互作用的特异性以及染色体间相互作用在OR转录过程中的重要性仍是不确定的。为了对多个染色体间相互作用进行定量分析，从而确定这种相互作用的调控功能，作者对从小鼠MOE分离出的10中不同的野生型或突变型细胞进行原位Hi-C分析。

1. ONS分化过程中形成反式compartments

作者分析对比horizontalbasal cells (HBCs), immediate neuronal precursors (INPs)以及成熟OSN (mOSN)中OR基因簇之间的反式相互作用，发现反式相互作用随着细胞的分化而加强在ORcompartmen中，63个OR增强子具有高频率和特异性的顺式和反式作用，代表了Hi-C的“热点”。作者分析HBC, INP以及mOSN中，63个增强子的反式相互作用，发现所有增强子随着细胞的分化反式相互作用都加强（Fig 1）。

Fig. 1 | Extensive interchromosomal contactsbetween OR gene clusters and focal interchromosomal contacts between Greekislands form during OSN differentiation.

2.增强子促进compartmentalization

为了弄清楚增强子相互作用的机制，作者研究了增强子中核心序列的作用。作者通过原位Hi-C分析了H (2 kb), Lipsi(1 kb)和Sfaktiria (0.6 kb)增强子敲除（三个增强子都敲除）的mOSN中增强子之间以及OR基因簇之间的反式相互作用，发现含有这些敲除区域的基因组序列的反式作用显著降低。值得注意的是:在增强子敲除细胞中，OR基因的转录水平也降低（Fig 2）。因此，小到0.6kb的DNA元件就能够协调数百kb之外的基因组相互作用。

Fig. 2 | Deletion of Greek islands disruptslocal recruitment of trans Greekislands and impairs OR compartmentalization.

3. compartmentalization中的蛋白调节物

作者接下来检测了与增强子相结合的转录因子在OR的compartmentalization中的作用。作者对早期Lhx2基因敲除(KRT5-CreER; Lhx2^fl/fl R26R-tdtomato)和晚期Lhx2基因敲除(OMP-CreER; Lhx2^fl/fl R26R-tdtomato)细胞进行原位Hi-C分析，发现与mOSN，甚至INPs相比，这些细胞的OR基因簇和增强子之间的反式相互作用都显著降低（Fig 3）。以上结果表明：LHX2在稳定增强子间的相互作用中起着关键作用。

Fig. 3 | LHX2 is essential for the formationof OR compartments and the assembly and stability of Greek island hubs.

为了弄清楚其中对的机制，作者就提出问题：LHX2(LIM结构域蛋白)是不是招募了LIM结构域结合蛋白（LDB1和LDB2）呢？因为已知LDB1和LDB2具有介导长范围内基因组相互作用的功能。检测发现mOSN中仅仅表达LDB1, 接着作者通过原位Hi-C和RNA-seq对Ldb1KO mOSN进行分析，发现Ldb1 KO mOSN中反式和长距离的顺式的增强子相互作用显著降低；ORs的表达也大范围降低，但是其他非OR基因的表达不受影响（Fig 4）。

Fig. 4 | LDB1 is essential for the stabilityof Greek island hubs and for OR transcription.

4. 增强子中心仅仅与活化的OR基因相互作用

为了检测增强子中心是否通过与被选择的OR基因直接相互作用来调控OR转录，作者在表达Olfr16, Olfr17和Olfr1507的OSN中进行原位Hi-C分析，结果发现：例如在OLFR16⁺ OSN中，Olfr16启动子发生显著的反式相互作用和长范围的顺式相互作用，但是在OLFR16⁺和OLFR1507⁺OSN中，Olfr16启动子主要与其邻近的基因组序列相互作用。值得注意的是：相对于整个OR基因簇，OLFR16⁺ OSN中增强子的反式作用主要富集于Olfr16基因位点（Fig 5）。因此，原位Hi-C可以通过OR基因与增强子累积的相互作用，从1000多个OR基因中精确地找出转录活化的OR。

Fig. 5 | Greek island hubs interact specificallywith the transcriptionally active OR locus.

总结：调控OR表达的模式图