Epigenetic and transcriptional mechanisms driving human pigmentation diversity

驱动人类色素沉着多样性的表观遗传和转录机制

基本信息

  • 批准号:
    10715498
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 37.33万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2028-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Melanin is the key determinant of human pigmentation that has evolved under natural selection and has led to diversification of human skin color. Importantly, the number of melanin-producing-melanocytes and their anatomical location do not vary among humans, only varying melanogenesis determines the human pigmentation diversity. Our long-term goal is to build a comprehensive understanding of the epigenetic and transcriptional machinery that dictate precise human melanogenesis gene expression programs that governs normal-range human pigmentation variation and disease susceptibility. The key insights about human melanogenesis have come from mapping genes involved in hypo- and hyper pigmentation diseases, Genome- wide Association Studies (GWAS) of normal-range skin and hair color variation in human populations and genetic studies on mouse coat color. Nonetheless, current genetic knowledge can explain only a fraction of skin color variation in humans suggesting that many loci controlling pigmentation remain unknown. By conducting a genome-wide CRISPR screen, PI has uncovered novel candidate genes driving human pigmentation. Among the novel pigmentation genes identified, we found that KLF transcription factors are differentially expressed in light and dark colored human melanocytes and play an antagonistic role in melanogenesis in a gene dosage dependent manner. We will investigate the cellular and molecular mechanisms of these closely related factors to understand their roles in human pigmentation variation. Consistent with other human phenotypes, we hypothesize that most DNA variants driving normal-range human pigmentation and skin disease susceptibility may lie in non-protein-coding regions of genome. We will map the cis-regulatory landscape of melanocytes from diverse color humans by performing unbiased epigenomic profiling to uncover putative enhancers with divergent gene regulatory activity. We will prioritize the candidate divergent enhancers for functional analysis by focusing on loci that have either previously been associated with skin color GWAS studies or overlap with novel melanogenesis genes identified by our genome-wide genetic screen. Through genetic perturbation studies we will confirm whether cis-regulatory changes affect gene expression quantitatively. Building on PI’s postdoctoral work, over the next five years, the lab will combine diverse approaches to understand the genotype-to-phenotype connection in human skin pigmentation variation. These approaches include pluripotent stem cell differentiation models that recapitulate human melanogenesis in vitro, genome-engineering, massively parallel reporter assays, single-cell profiling methods, quantitative melanin measurements, and validation experiments in transgenic mouse models. Through our studies on a highly quantifiable trait such as melanin, we will provide insights into how genotypic variation encoded in genome give rise to differences in gene expression and leads to phenotypic divergence within human species, which has implication for human development, health and disease.
黑色素是人类色素沉着的关键决定因素,它在自然选择下进化并导致 人类肤色的多样化,重要的是产生黑色素的黑素细胞及其数量。 人体的解剖位置并不不同,只有不同的黑色素生成决定了人体的 我们的长期目标是建立对表观遗传和色素沉着多样性的全面了解。 转录机制决定精确的人类黑素生成基因表达程序 正常范围的人类色素沉着变化和疾病易感性。 黑色素生成来自绘制色素沉着不足和色素沉着过度疾病相关基因的图谱,基因组- 人类正常范围皮肤和头发颜色变异与遗传的广泛关联研究(GWAS) 然而,目前的遗传知识只能解释一小部分皮肤颜色。 人类的变异表明许多控制色素沉着的位点仍然未知。 通过全基因组 CRISPR 筛选,PI 发现了驱动人类色素沉着的新候选基因。 在鉴定出的新色素沉着基因中,我们发现 KLF 转录因子在 浅色和深色人类黑色素细胞,并在基因剂量的黑色素生成中发挥拮抗作用 我们将研究这些密切相关因素的细胞和分子机制。 为了了解它们在人类色素沉着变异中的作用,我们与其他人类表型一致。 发现大多数 DNA 变异驱动正常范围的人类色素沉着和皮肤病易感性 可能位于基因组非蛋白质编码区域。我们将绘制黑素细胞的顺式调控图谱。 通过进行公正的表观基因组分析来发现具有不同颜色的假定增强子 我们将通过聚焦候选不同增强子来优先进行功能分析。 先前与肤色 GWAS 研究相关或与新发现重叠的位点 通过我们的全基因组遗传筛选,我们发现了黑色素生成基因。 将在 PI 博士后的基础上定量确认顺式调控变化是否影响基因表达。 在未来五年的工作中,实验室将结合多种方法来了解基因型到表型 这些方法包括多能干细胞分化。 体外重现人类黑素生成的模型、基因组工程、大规模并行报告分析、 转基因中的单细胞分析方法、黑色素测量和定量验证实验 通过对黑色素等高度可量化特征的研究,我们将提供以下见解: 基因组中编码的基因型变异如何引起基因表达的差异并导致表型 人类物种内部的差异,对人类发展、健康和疾病具有影响。

项目成果

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