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

基本信息

项目摘要

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 哺乳动物脑形成突触中的有丝分裂后神经元,在整个过程中动态重塑 个人的一生,以编码短期和长期记忆。突触可塑性涉及时空精细 - 根据环境刺激对基因表达水平的调整,包括快速转录 立即在几分钟和长期全球染色质重塑的时间范围内立即进行早期基因。顺式 - 控制活动依赖性表达的行动通用和表观遗传元素具有杰出的兴趣 要了解体验如何雕刻大脑。在这里,我们提交了一个名为“阐明3-的提案” D活性依赖性基因表达在哺乳动物神经元中的表观遗传决定因素。我们已经组装了 一个跨学科团队,在基因组折叠,表观遗传学,染色质工程方面具有关键专业知识, 神经生物学,突触发生,电生理学和计算生物学。我们旨在阐明因果关系 远程循环相互作用之间的联系,线性基因组的表观遗传修饰,其表达 空间靶基因和哺乳动物神经元的活性。我们假设立即的早期基因将 功能从功能上参与奇异的短距离环,以在秒的时间尺度上快速激活表达 响应神经元激活的环境刺激的分钟。相比之下,我们认为那个次要 响应基因将通过建筑蛋白在空间上连接成复杂的,远程,预先存在的 拓扑配置可以使基因组在数小时至几天的数小时以上的第二波表达 响应神经元的射击。为了检验我们的假设,我们将创建高分辨率的基因组折叠图 在小鼠海马神经元中激活的时间过程中使用HI-C。我们将确定活动 - 依赖增强子和基因表达全基因组,并确定其临时概况 预先形成和活性依赖性环。我们将构建数学模型以预测活动依赖性 来自增强子激活的时间的直接早期基因和次级反应基因的表达 和循环触点。通过整合与自闭症,精神分裂症,躁郁症相关的单核苷酸变体, 成瘾和注意力缺陷/多动症与我们的模型,我们将预测特定的靶基因 和神经疾病涉及的潜在途径。最后,我们将剖析循环的功能作用 使用CRISPR控制BDNF和C-FOS的活动依赖性转录方面的增强剂活性 建筑蛋白结合基序的基因组编辑和对特定增强子的CRISPRI抑制。我们的工作 将发现基因组在哺乳动物神经元中的远程相互作用景观并揭示因果关系 在3-D表观基因组和对环境刺激的转录反应的动力学之间 神经元激活。

项目成果

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