近日★，EON体育4教育部代謝與發育科學國際合作聯合實驗室、系統生物醫學研究院比較生物醫學研究中心吳強團隊在學術期刊Genome Biology在線發表了以《串聯排列的CTCF位點作為拓撲絕緣子平衡染色質三維空間的結構和增強子/啟動子的選擇》Tandem CTCF sites function as insulators to balance spatial chromatin contacts and topological enhancer-promoter selection為題目的最新研究成果🥊。該期刊是基因組領域最好的期刊之一♾。
 

       這項研究發現了基因組拓撲絕緣子（topological insulator）🪚，證明了基因組中串聯排列的CTCF位點能夠平衡基因組的空間接觸和增強子與啟動子的拓撲性選擇。這是該團隊發現增強子方向性後♝，在CTCF染色質架構蛋白介導三維基因組折疊和原鈣粘蛋白基因簇表達調控機理研究方面取得的又一重要進展🛥。該研究由EON体育4研究團隊獨立完成🤩，吳強為本文通訊作者，助理研究員甲芝蓮🧝🏿、李經緯和博士生葛笑為共同第一作者。
 

       人類基因組由23對染色體構成，其30億堿基對伸展開來的線性長度約兩米，但染色體在微小的細胞核中並非以線性形式存在💆🏿，而是有機折疊成三維空間結構，這是細胞生命活動的物質結構基礎，與基因表達調控息息相關🚶🏻，而基因表達調控又是生命體生理代謝發育和病理發生發展的基礎。染色質的折疊是有規律的，研究染色質折疊的內在規律對於理解疾病非常重要，而折疊信號或調控元件就蘊藏在一維DNA序列中，尤其是存在於基因組的非編碼調控區域👊🏼。人類基因組包含有多達幾百萬個對於三維基因組折疊非常重要的調控元件📔，例如增強子🍍、絕緣子和啟動子等等，染色質架構蛋白通過與這些調控元件的動態相互作用調控基因組的空間架構,而已知最為重要的一個染色質架構蛋白叫做CTCF⚂。

       絕緣子突變與癌症的發病相關，但遺傳學中有關絕緣子的性質以及作用機製還不清楚。該研究利用實驗室開發的CRISPR大片段編輯技術對絕緣子進行了全面的剖析，發現基因組中的CTCF位點只要位於增強子和基因之間🦶🏽，都能夠有效抑製增強子對基因的激活，起到絕緣子的作用，且位於增強子旁邊的CTCF位點也能夠阻斷增強子的激活功能，保護啟動子不被增強子異常激活。作者利用染色質構象捕獲實驗發現，絕緣子抑製基因表達的內在機理是通過與遠處的CTCF位點形成染色質環化結構，來阻斷目標基因與增強子的遠程互作🦵，從而抑製基因表達。他們通過數學計算分析發現㊙️，整個基因組中成千上萬的CFCF位點都能夠抑製啟動子活性，每一個CTCF位點都是一個絕緣子，這是對哺乳動物拓撲絕緣子及其作用機理的首次全面系統研究🧑🏽‍🎤，對加深基因表達調控機理的理解有重要意義。
 

       更為重要的是，該研究還首次發現了絕緣子不為人知的一面🧗🏻‍♀️，那就是絕緣子能夠促進遠端基因與增強子的空間遠程互作，即絕緣子的拓撲性🫅🏼，這一發現突破了已有的認識。這意味著，串聯排列的CTCF位點作為拓撲絕緣子對染色質高級結構的折疊產生意想不到的空間平衡效果。這種空間平衡對於正確的基因表達非常重要，能夠決定增強子與啟動子遠程互作的拓撲性選擇。
 

       作者發現增強子中串聯排列的CTCF位點的數量決定了它所能調控的範圍大小，即CTCF位點的數量越多，調控的範圍越遠🧎‍♀️‍➡️。為了進一步探尋其中的規律🦨，他們做了基於粘連蛋白環擠壓模型的分子動力學模擬試驗🚴🏿‍♀️🫙，結果表明這種高級結構的形成，對於平衡染色質成環和拓撲性增強子-啟動子的選擇至關重要。最後🚵🏿‍♀️，作者提出了基因組折疊的“葫蘆”立體架構模型，來解釋串聯排列的CTCF位點作為拓撲絕緣子的工作機製。
 

實驗室先前發現了增強子和CTCF蛋白結合DNA調控元件具有方向性，也就是說一維線性DNA序列包含有“編碼”三維基因組染色質高級結構的信息🌍。哺乳動物基因組中包含數萬個CTCF位點，它們的排列方式決三維基因組是如何折疊的。在這項最新的研究中，研究團隊利用CRISPR大片段基因編輯技術😕，結合優化的高分辨率、高靈敏度的少量細胞染色質構象捕獲技術，對該機製問題進行了全面的闡述🦗。
 

       綜上🏄🏻‍♀️，本研究不僅闡明了原鈣粘蛋白在神經元中單等位基因隨機組合表達的分子機理，也揭示了基因組中眾多串聯排列CTCF位點的高級拓撲折疊機理♊️。基因組拓撲絕緣子的發現，是前期發現增強子方向性基礎上，在一維線性CTCF結合位點調控三維基因組高級結構領域的又一重要研究進展。研究得到了國家自然科學基金和上海市科委的資助🍫。
 

文章鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-01984-7