Nature子刊：上海交通大学吴强团队发现拓扑相关结构域内染色质相互作用和基因调控的新机制

CTCF通过调节拓扑相关结构域(TAD)边界处染色质绝缘强度在3D基因组组织中发挥重要作用，其中成簇的CBS（CTCF结合位点）元件通常排列成具有复杂发散或收敛方向的串联阵列。

2023年12月7日，上海交通大学吴强团队在Nature Communications发表题为“Outward-oriented sites within clustered CTCF boundaries are key for intra-TAD chromatin interactions and gene regulation”的研究论文，该研究报道了以 Pcdh 和 HOXD 基因座为范式，检测了簇状的 CTCF TAD 边界，与直觉相反，外向型 CBS 元件对于向内增强子-启动子相互作用以及基因调控至关重要。

具体来说，通过组合缺失小鼠体内一系列推定的增强子元件或体外培养细胞中的CBS元件，结合染色体构象捕获和RNA-seq分析，该研究发现外向型CBS元件的缺失削弱了长距离TAD内启动子-增强子相互作用的强度和靶基因的增强子激活。该研究数据突出了CTCF TAD边界内外向型CBS元件在发育基因调控中的关键作用，并对TAD边界内聚集CTCF位点的组织原则具有意义。

间期基因组由高度动态的结构组成，包括染色体区域、染色体间隔、拓扑相关结构域(TAD)和染色质环。CTCF（CCCTC 结合因子）是间期 3D 基因组组织的关键结构蛋白，整个哺乳动物基因组中的 CBS（CTCF 结合位点）元件作为拓扑绝缘体发挥作用，以阻断异常增强子激活并确保正确的基因表达，或标记常染色质和异染色质之间的边界。一种流行的相间染色体折叠模型，称为环挤压，假设粘连蛋白复合物将染色质纤维双向挤压成膨胀环，直到被定向的CBS元件不对称地阻断。具体来说，连续的 ATP 驱动的主动环挤出导致逐渐变大的染色质环，这些染色质环由成对的收敛或相反的 CBS 元件稳定。该模型解释了TAD的形成，并且与每个TAD的两个侧翼边界与大多数收敛的正反CBS单元相关的观测结果一致。然而，令人费解的是，哺乳动物基因组中的大多数TAD边界都包含具有收敛和发散的复杂方向的聚集CBS元件。

TAD边界作为绝缘体元素出现，限制了TAD染色质之间的相互作用。它们的功能障碍导致异常发育和进行性肿瘤发生。哺乳动物簇状CTCF TAD边界在进化上比其他基因组区域更保守。TAD边界的高绝缘分数与强CTCF富集有关，聚集的增强子(称为超级增强子)往往被强隔离。不同的CBS元素在TAD边界处富集;然而，要实现有效绝缘，并不严格要求发散方向特征。例如，特定 CBS 元件的特征可能超过 CBS 数量和方向。最后，绝缘效力取决于 CBS 元件的局部环境，并且无论中间的 CBS 强度如何，稳健的增强子-启动子通信都可以绕过 CTCF 绝缘。

作为研究 3D 基因组折叠机制的范式，小鼠簇状原钙粘蛋白（cPcdh）由三个连续的基因簇组成，即 Pcdh α、β 和 γ，编码 58 种亚型，跨越 100 万 bp。Pcdh α 和 γ 簇分别由14个和22个可变第一外显子组成，每个外显子被顺式剪接到一组基因簇特异性的恒定外显子上；而Pcdhβ基因簇由22个单一可变外显子(β1 ~ β22)组成，没有恒定的外显子。Pcdh 启动子的选择由 CTCF/粘连蛋白介导的长程增强子-启动子环相互作用决定，这些相互作用由收敛或相反的 CBS元件锚定。它们在单个神经元中的组合表达模式产生了巨大的细胞表面分子多样性，用于组装大脑中复杂的神经元连接网络。此外，HoxD基因簇成员的精确表达模式是肢体发育的核心。

文章模式图（图源自Nature Communications ）

该研究使用Pcdh和HOXD作为模型基因，研究发现簇状CTCF 边界内的外向CBS元件对于TAD启动子-增强子相互作用和基因调控至关重要。研究数据揭示了成簇的CTCF TAD边界在三维基因组结构和基因调控中的组织原理。综上所述，该研究结果强调了在Pcdh和HoxD簇中，向外定向的CBS元件在提供最佳绝缘以抑制异常的TAD间相互作用和保持适当的TAD内部启动子-增强子相互作用方面的重要作用。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43849-0