TRIM66表观遗传抑制调控单基因嗅觉受体表达的新机制

《Nature Communications》：An epigenetic repressor TRIM66 dictates monogenic olfactory receptor expression, neural activity, and olfactory behavior

本研究发现表观遗传抑制因子TRIM66是解决嗅觉受体单基因表达难题的关键。研究人员通过ATF5 ChIP-seq筛选发现TRIM66能够结合、组装并抑制嗅觉受体增强子，实现从多基因到单基因表达的转变。Trim66基因敲除导致成熟嗅觉感觉神经元多受体共表达，引起嗅觉信息处理缺陷和行为异常。该研究为理解"一个神经元一个受体"规则提供了重要机制突破。

　　

在哺乳动物的嗅觉系统中，每个嗅觉感觉神经元(OSN)只能选择表达上千种嗅觉受体(OR)基因中的一种，这一现象被称为"一个神经元一个受体"规则。这种单等位基因和单基因表达模式是嗅觉编码的基础，但几十年来，科学家们一直困惑于其中的分子机制：在神经元成熟过程中，如何实现从多基因表达到单基因表达的转变？特别是那些在未成熟阶段已经被转录的额外受体基因是如何被沉默的？

近日发表在《Nature Communications》上的研究揭开了这一谜团。研究人员发现表观遗传抑制因子TRIM66是关键分子，它像一位严格的"裁判"，确保每个嗅觉神经元只表达一种嗅觉受体。这项研究不仅填补了嗅觉受体表达调控机制的重要空白，也为理解单基因选择这一普遍生物学现象提供了新视角。

研究人员采用了多种前沿技术手段开展此项研究。通过ATF5染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)筛选潜在调控因子；构建Trim66基因敲除小鼠模型进行功能验证；利用单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析单个神经元中的受体表达模式；采用染色质构象捕获(Hi-C)技术研究三维基因组结构；结合ATAC-seq和CUT&Tag技术分析染色质可及性和组蛋白修饰；并通过在体电生理记录和行为学实验评估嗅觉功能。

Identifying Trim66 as a candidate regulating olfactory receptor genes

研究团队从ATF5这一已知的嗅觉受体表达早期应答转录因子入手。通过ATF5 ChIP-seq实验，他们在小鼠主嗅上皮(MOE)中鉴定出1049个ATF5结合位点。基因本体(GO)分析显示这些靶基因富集在内质网应激(UPR)相关基因和神经元基因中。在编码核蛋白的靶基因中，TRIM66因其在Atf5敲除小鼠中表达量下降38%且含有多个强ATF5结合峰而成为重点候选分子。

Trim66 specifically regulates olfactory receptor gene expression

研究人员通过CRISPR-Cas9技术构建了Trim66全身敲除小鼠。RNA-seq分析显示，Trim66缺失导致1389个差异表达基因(DEGs)中77%为嗅觉受体基因，其中85%的功能性OR基因表达显著下降。单分子原位杂交和免疫组化结果验证了这一发现，并显示受体表达概率发生改变。值得注意的是，虽然大多数受体基因表达下降，但少数基因如Olfr1507表达反而上升。

Loss of Trim66 induces polygenic receptor expression in mature OSNs

单细胞RNA测序揭示了更为精细的调控机制。在野生型小鼠中，81%的成熟OSNs只表达单一受体，符合"一个神经元一个受体"规则；而在Trim66敲除小鼠中，这一比例降至仅7%，绝大多数成熟OSNs同时表达多个受体基因。双色荧光原位杂交(FISH)实验证实了多受体共表达现象。进一步分析发现，上调的受体基因并非表达水平更高，而是有更多细胞选择表达这些基因，但每个细胞中的表达量仍然较低。

TRIM66 can bind to and repress the olfactory enhancers

机制研究表明，TRIM66直接结合到嗅觉增强子区域。ChIP-seq鉴定出1514个TRIM66结合峰，其中54个位于嗅觉受体基因附近，且多个峰与已知的嗅觉增强子重叠。ATAC-seq显示，Trim66敲除后嗅觉增强子的可及性显著增加。CUT&Tag实验进一步证实，活性增强子标记H3K27ac和H3K4me1在增强子区域普遍增加，而抑制性标记H3K27me3和H3K9me3减少。

Trim66 knockout causes a reduction in trans enhancer interactions

三维基因组分析揭示了TRIM66在增强子互作中的关键作用。Hi-C数据显示，Trim66敲除导致染色体间互作显著减少，特别是嗅觉增强子之间的trans互作从0.65%降至0.093%。长距离cis互作也明显减弱，而短距离互作基本不变。这表明TRIM66不仅抑制增强子活性，还调控增强子hub的形成。

The olfactory information relay in the olfactory bulb is impaired in Trim66 knockout mice

功能实验表明，Trim66缺失严重影响嗅觉信息处理。在体电生理记录发现，敲除小鼠嗅球中自发放电频率增加，气味诱发的Beta和High gamma振荡反应减弱。Mitral/tufted细胞(M/Ts)对气味刺激的反应比例下降，兴奋性神经元放电频率异常增加，抑制性神经元反应减弱，表明兴奋-抑制平衡被破坏。

Olfactory behaviors are compromised in Trim66 knockout mice

行为学实验最终证实了TRIM66的生理重要性。埋藏食物测试中，Trim66敲除小鼠寻找食物时间显著延长。在Go/No-go嗅觉辨别任务中，敲除小鼠对三组气味组合(异戊酸乙酸酯vs2-庚酮、三甲胺vs1-壬醇、麝香酮vs亚精胺)的辨别能力明显下降。条件性敲除实验排除了TRIM66在嗅球中的直接作用，确认行为缺陷源于外周嗅觉受体的表达异常。

本研究首次揭示了TRIM66作为表观遗传抑制因子在嗅觉受体单基因选择中的核心作用。该机制与已知的ATF5→Adcy3→Kdm1a通路并行，共同确保成熟嗅觉神经元中单一受体的稳定表达。TRIM66通过调控增强子hub的组装和抑制，实现从多基因到单基因表达的转变，这一发现不仅解决了嗅觉领域长期存在的科学问题，也为理解其他系统的单基因表达模式提供了新思路。该研究强调了一个精确平衡的调控网络对于神经系统正常功能的重要性，违反"一个神经元一个受体"规则将导致嗅觉信息处理和行为表现的严重缺陷。