吴强组揭示染色质架构蛋白调控基因组高级结构的非对称性阻断机制

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人类基因组测序计划是最成功的大科学计划之一，虽然我们的30亿碱基对序列已经知道了近20年，但我们对人类基因组的“编码”机制还知之甚少。人类大约2米长的染色体非常有规律地折叠在约5微米的细胞核内，其折叠结构对于组织器官生长发育具有重要作用，而折叠异常在出生缺陷、神经疾病和肿瘤等各种各样的疾病发生中也起到重要的病理作用。三维基因组折叠形成高度有序并且层次分明的拓扑结构域，影响细胞特异性基因表达调控。其中，染色质可以通过形成环状结构使得远端的增强子与不同基因的启动子在空间上靠近，从而精确调控基因的时空特异性表达。细胞构建正确有序折叠的三维基因组需要大量的染色质架构蛋白，转录因子CTCF和粘连蛋白cohesin是哺乳动物中最重要的染色质架构蛋白，它们通过架构三维基因组的拓扑结构来调控基因表达和蛋白功能。

三维基因组学是一门古老的学科，主要研究染色质高级结构动态调控及生物学功能。随着高通量测序技术和高分辨显微成像技术的发展，三维基因组研究综合了数学物理化学等传统学科的理论以及计算机科学和生命科学等交叉学科的技术创新。由于染色质构象捕获包括HiC技术的推动作用，三维基因组成为近年来快速兴起的研究遗传物质空间结构及其动态调控的热门学科，并焕发了全新的生命力。虽然HiC高通量测序研究如火如荼，极大推动了三维基因组的发展，但关于三维基因组架构机制的研究还不多。

近日，上海交通大学系统生物医学研究院比较生物医学研究中心吴强教授课题组在Protein & Cell杂志上发表了题为Genetic evidence for asymmetric blocking of higher-order chromatin structure by CTCF/cohesin的最新研究成果。在三维基因组拓扑结构组装的分子机制方面取得了创新性进展，该研究利用遗传学DNA片段编辑方法，揭示单个CTCF位点的相对方向会影响增强子与启动子之间的染色质拓扑结构环的方向，以及CTCF位点对染色质环挤出的非对称影响，并提出了CTCF/cohesin介导的染色质高级结构的非对称性阻断模型。

上海交大吴强教授课题组长期致力于三维基因组染色质高级结构的动态调控机制及在体生理功能的研究。早在2012年课题组研究发现，基因簇的启动子选择与CTCF/cohesin介导的染色质环化相关，并且发现启动子和增强子CTCF位点的方向相反【1】。2015年，课题组利用前期开发的DNA片段编辑技术【2】对基因组上的CTCF位点进行原位反转，发现CTCF蛋白识别DNA调控元件的方向性决定了染色质高级拓扑结构域的建立，也就是线性DNA序列包含“编码”三维基因组染色质高级结构的信息【3】。然而迄今为止，没有证据表明单个CTCF位点的相对方向可以决定增强子和启动子之间的染色质拓扑环的方向【3-5】。

在最新的这项研究中，课题组利用前期研究开发的精准可预测的DNA片段编辑方法【6】，以原钙粘蛋白和珠蛋白基因簇作为研究模型，在细胞中对基因簇的增强子元件进行一系列原位反转，以研究不同增强子区域以及CTCF位点的数目、方向如何影响三维基因组结构。利用CRISPR筛选特定区段反转的稳定细胞系并结合染色质构象捕获技术测定CTCF/cohesin介导的染色质环化，结果表明拓扑结构域边界上的单个CTCF位点的反转可以重塑启动子与增强子之间染色质拓扑结构环的方向，进而影响基因的时空特异性表达。

随后，在小鼠中对原钙粘蛋白基因簇Pcdhβγ的下游超级增强子区域一连串CTCF位点进行原位反转，发现增强子对远端基因簇Pcdhβ调控显著，而对近端基因簇Pcdhγ调控并不显著。对Pcdhα以及Pcdhαβ整个基因簇大片段删除的小鼠进行染色质构象捕获实验，发现在Pcdhα基因簇删除后留下的基因启动子与增强子的相互作用显著增强，而在Pcdhαβ删除之后，Pcdhβγ的下游超级增强子与Pcdhγ之间的相互作用没有明显变化。

最后，该研究提出基于CTCF/cohesin的染色质高级结构非对称阻断模型。cohesin沿着结合了CTCF蛋白的染色质DNA进行滑动，当cohesin遇到与之滑动方向相同的CTCF时，则容易通过；当cohesin遇到与滑动方向相反的CTCF时，则容易停下来。这就解释了为什么染色质环状结构通常在方向相对的CTCF位点之间形成，也解释了cohesin在增强子或超级增强子区域的富集现象。该研究在体外细胞和小鼠活体系统中阐述了CTCF/cohesin介导的染色质环滑动的非对称性，有望推动三维基因组染色质高级结构组装机制的相关研究。

CTCF/cohesin介导的染色质环滑动的非对称性阻断模型

据悉，上海交通大学吴强为通讯作者，交大博士生陆宇嘉和博士后寿佳为共同第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s13238-019-00656-y

参考文献

1. Guo, Y. et al. CTCF/cohesin-mediated DNA looping is required for protocadherin alpha promoter choice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 109, 21081-21086, doi:10.1073/pnas.1219280110 (2012).

2. Li, J. et al. Efficient inversions and duplications of mammalian regulatory DNA elements and gene clusters by CRISPR/Cas9. Journal of molecular cell biology 7, 284-298, doi:10.1093/jmcb/mjv016 (2015).

3. Guo, Y. et al. CRISPR Inversion of CTCF Sites Alters Genome Topology and Enhancer/Promoter Function. Cell 162, 900-910, doi:10.1016/j.cell.2015.07.038 (2015).

4. de Wit, E. et al. CTCF Binding Polarity Determines Chromatin Looping. Molecular cell 60, 676-684, doi:10.1016/j.molcel.2015.09.023 (2015).

5. Sanborn, A. L. et al. Chromatin extrusion explains key features of loop and domain formation in wild-type and engineered genomes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112, E6456-6465, doi:10.1073/pnas.1518552112 (2015).

6. Shou, J., Li, J., Liu, Y. & Wu, Q. Precise and Predictable CRISPR Chromosomal Rearrangements Reveal Principles of Cas9-Mediated Nucleotide Insertion. Molecular cell, doi:10.1016/j.molcel.2018.06.021 (2018).