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染色质架构蛋白CTCF结合人类基因组位点的机制研

2019-11-03 10:35

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近日,国际着名学术期刊《Cell Research》杂志在线发表了上海交通大学系统生物医学研究院比较生物医学中心吴强课题组和中科院北京生物物理所王艳丽课题组合作研究成果,“Molecular mechanism of directional CTCF recognition of a diverse range of genomic sites”。该工作阐明了染色质架构蛋白CTCF方向性识别原钙粘蛋白启动子和增强子位点的分子机制,为进一步研究CTCF在三维基因组组装过程中的功能奠定了重要基础。

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。

CTCF蛋白属于锌指蛋白家族,具有11个串联排列的锌指结构。CTCF通过其不同组合的锌指结构结合到人类基因组中的很多位点上,并介导染色质环化和染色质高级拓扑结构的形成,在染色质折叠组装、基因表达调控、DNA断裂修复等生命过程中起到十分重要的作用,CTCF及其基因组结合位点的突变与肿瘤等多种疾病息息相关。

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。2015年,课题组利用前期开发的DNA片段编辑技术对基因组上的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。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。

CTCF在人类基因组中有成千上万个结合位点,然而CTCF如何判别,如何结合这些非常多样又高度相似的基因组位点仍然不清楚。吴强课题组前期在CTCF调控基因表达和染色质高级结构组装方面进行了一系列研究工作,发现CTCF通过方向性结合原钙粘蛋白基因的启动子和增强子,引起原钙粘蛋白特异启动子与增强子的方向性环化,进而在三维染色质高级拓扑结构中相互靠近,并决定原钙粘蛋白启动子的选择。

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,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。

该研究工作对于了解CTCF结合其基因组位点的方向性、多样性、灵活性、适应性、动态性和保守性等方面具有重要启示。上海交大吴强教授和中科院北京生物物理所王艳丽研究员为该文共同通讯作者,该研究得到科技部和国家自然科学基金委员会的资助。

4166.com,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。

论文链接:https://www.nature.com/cr/journal/vaop/ncurrent/full/cr2017131a.html

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。

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