Disruptions of Topological Chromatin Domains Cause Pathogenic Rewiring of Gene-Enhancer Interactions

生物 CTCF公司 增强子 染色体构象捕获 染色质 基因座(遗传学) 异位表达 遗传学 基因组 基因 人类基因组 表型 基因表达调控 绝缘体(电) 计算生物学 基因表达 电气工程 工程类
作者
Darío G. Lupiáñez,Katerina Kraft,Verena Heinrich,Peter Krawitz,Francesco Brancati,Eva Klopocki,Denise Horn,Hülya Kayserili,John M. Opitz,Renata Laxova,Fernando Santos-Simarro,Brigitte Gilbert-Dussardier,Lars Wittler,Marina Borschiwer,Stefan A. Haas,Marco Osterwalder,Martin Franke,Bernd Timmermann,Jochen Hecht,Malte Spielmann,Axel Visel,Stefan Mundlos
出处
期刊:Cell [Elsevier]
卷期号:161 (5): 1012-1025 被引量:1441
标识
DOI:10.1016/j.cell.2015.04.004
摘要

Mammalian genomes are organized into megabase-scale topologically associated domains (TADs). We demonstrate that disruption of TADs can rewire long-range regulatory architecture and result in pathogenic phenotypes. We show that distinct human limb malformations are caused by deletions, inversions, or duplications altering the structure of the TAD-spanning WNT6/IHH/EPHA4/PAX3 locus. Using CRISPR/Cas genome editing, we generated mice with corresponding rearrangements. Both in mouse limb tissue and patient-derived fibroblasts, disease-relevant structural changes cause ectopic interactions between promoters and non-coding DNA, and a cluster of limb enhancers normally associated with Epha4 is misplaced relative to TAD boundaries and drives ectopic limb expression of another gene in the locus. This rewiring occurred only if the variant disrupted a CTCF-associated boundary domain. Our results demonstrate the functional importance of TADs for orchestrating gene expression via genome architecture and indicate criteria for predicting the pathogenicity of human structural variants, particularly in non-coding regions of the human genome.
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