研究揭示三维基因组拓扑相关结构域边界的CTCF组织规律

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团队在Nature子刊Nature Communications在线发表了题为“Outward-oriented sites within clustered CTCF boundaries are key for intra-TAD chromatin interactions and gene regulation”的研究论文，揭示了CTCF在三维基因组拓扑相关结构域（TAD）边界的成簇结合位点中，朝向TAD外的位点对于维持TAD内染色质相互作用和基因正常转录发挥的关键作用。

基因组三维结构影响基因复制、修复、转录和重组等最基本的生命活动，对于个体发育至关重要，与各类疾病和衰老再生等密切相关。该团队前期发现线性基因组中正向与反向的CTCF结合位点在立体空间上相互靠近形成染色质环，因此基于染色质环化形成的TAD边界中总是分布着朝向TAD内的CTCF结合位点（PNAS, 2012; Cell, 2015；GB, 2020）。然而多数TAD边界中还分布着朝向TAD外的CTCF结合位点，该论文发现这些CTCF位点精准调控着TAD边界的绝缘强度，破坏它们会导致TAD外载入的环化复合物粘连蛋白Cohesin异常滑入TAD内、造成TAD内的基因参与的染色质互作外泄而紊乱基因的表达。

图1. 三维基因组TAD边界处朝向外的CTCF位点工作机制示意图

该团队首先对大脑神经发育起到重要作用的原钙粘蛋白基因簇相关TAD展开研究，描绘了小鼠大脑皮层发育过程中原钙粘蛋白的动态表达图谱，并在原钙粘蛋白基因的表达高峰期（新生期）检测了一系列组蛋白修饰的富集度，发现原钙粘蛋白基因簇在兼性异染色质区域表达，潜在的增强子元件存在于原钙粘蛋白TAD右边界中。随后，采用CRISPR基因编辑技术在小鼠体中对原钙粘蛋白TAD右边界中的潜在增强子元件进行了系列敲除或突变，结合转录组检测和染色质捕获技术，找到了原钙粘蛋白β/γ基因簇的调控元件和原钙粘蛋白γc3亚型特异的绝缘子元件。

图2 小鼠大脑皮层中原钙粘蛋白TAD右边界包含增强子元件和复杂CTCF元件组合

最后，对原钙粘蛋白TAD右边界中朝向TAD外的CTCF位点进行了原位敲除，经过系统性分析转录组、表观遗传修饰和染色质构象变化，发现该CTCF位点通过阻隔TAD内外的染色质异常互作维持TAD内的正常染色质构象，对TAD内基因的正常表达至关重要。此外，该团队还对控制肢体发育的HOXD基因簇的着丝粒端TAD展开验证性研究，通过单独或组合敲除人类HOXD TAD左边界中的两个朝向TAD外的CTCF位点，证明这两个朝外的CTCF位点通过协同作用发挥着类似的绝缘功能。

图3 控制肢体发育的HOXD基因簇的着丝粒端TAD左边界CTCF位点分布

该研究首次解析了三维基因组TAD边界处朝向TAD外CTCF位点的重要生物学功能，揭示了TAD边界CTCF位点的组织架构规律，为阐明TAD边界处成簇CTCF位点的绝缘功能提供了新的思路。工作得到了国家自然科学基金重点项目（32330016）、科技部重点研发计划（2022YFC3400200）以及上海市科学技术委员会（21DZ2210200）等项目的资助。上海交通大学系统生物医学研究院博士生葛笑、副研究员黄海燕为论文的共同第一作者，吴强教授为通讯作者。上海交通大学系统生物医学研究院硕士生韩可琪、实验动物中心徐汪杰副研究员和王朝霞研究员参与了课题研究。