(1.11.1)--CTCF在介导三维基因组形成及调控基因表达中的研究进展.pdf

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1、Hereditas(Beijing)2021 年 9 月,43(9):816821 收稿日期:2021-09-08;修回日期:2021-09-13 基金项目:国家自然科学基金项目(编号：31970590，31771402)资助Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.31970590,31771402)作者简介:周聪，博士，在站博士后，研究方向：三维基因组学。E-mail: 通讯作者:李国亮，博士，教授，研究方向：生物信息学，三维基因组学。E-mail: DOI:10.16288/j.yczz.21-32

2、6 网络出版时间:2021/9/14 13:16:11 URI:https:/ 前沿聚焦CTCF 在介导三维基因组形成及调控基因表达中的研究进展 摘要:真核细胞间期的染色质在细胞核中经过复杂的盘曲折叠，形成高级拓扑结构，这样的染色质结构空间组织对基因表达有重要影响。CTCF(CCCTC-binding factor)作为关键的染色质高级结构架构蛋白，对三维基因组结构的形成起到了重要作用。CTCF 还可以与基因组内大量的绝缘子结合，影响染色质远程交互，实现对增强子和基因转录调控的绝缘效应。本文主要对近期美国圣裘德儿童研究医院 Chunliang Li 团队对于 CTCF 完全降解后发现染色质可及

3、性发生变化的研究结果，上海交通大学系统生物医学研究院吴强团队、美国加州路德维希癌症研究所任兵团队对于 CTCF 结合位点充当绝缘子作用机制的最新结果进行部分点评及讨论。关键词:CTCF；绝缘子；三维基因组；基因表达调控 Research progress of CTCF in mediating 3D genome formation and regulating gene expression Cong Zhou,Qiangwei Zhou,Sheng Cheng,Guoliang Li Agricultural Bioinformatics Key Laboratory of Hubei

4、Province,Hubei Engineering Technology Research Center of Agricultural Big Data,3D Genomics Research Center,College of Informatics,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China Abstract:In interphase eukaryotic nuclei,chromatin is folded to form a higher-order topological structure.The spatial

5、organization of such chromatin domain has an important impact on the regulation of gene expression.As a key architectural structural protein,CTCF(CCCTC-binding factor)plays an important role in the formation of chromatin three-dimensional chromatin structure.CTCF can also bind to many insulator elem

6、ents in the genome and insulate enhancers from activating target genes via modulating remote chromatin interactions.A recent study by Dr.Chunliang Li and his team at St.Jude Childrens Research Hospital in the United States showed that when CTCF was acutely degraded,significant changes were found in

7、the three-dimensional structure of chromatin.The mechanism by which CTCF binding 第9期 周聪等:CTCF 在介导三维基因组形成及调控基因表达中的研究进展 817 sites function as insulator elements was investigated by Prof.Qiang Wus team at Institute of Systems Biomedicine and Shanghai Jiao Tong University in China and Prof.Bing Rens tea

8、m at Ludwig Institute for Cancer Research in the United States.Here we mainly review and discuss some of these latest progresses.Keywords:CTCF;insulator;three-dimensional genome;regulation of gene expression 真核细胞的基因组以线性 DNA 序列来存储遗传信息。然而，基因的精准表达，需要染色质折叠成复杂的基因组三维结构，进而形成 DNA 调控元件与基因之间的相互作用，达成精准的基因表达调控。

9、在每条染色质内部，DNA 包裹在组蛋白形成的八聚体周围，形成了 10 nm 的核小体，随后被高效、有序地包装成复杂的多层次结构。除了染色质的多层次结构外，基因组片段在三维细胞核空间中的空间定位也对基因组的功能产生了重要影响。这种由染色质折叠而形成的三维基因组结构，对于基因转录、DNA 复制及修复、细胞分裂及分化等重要的生物学过程起到关键的调控作用13。特定远程交互的改变会导致发育和肿瘤基因表达的改变进而引起发育障碍及癌症的发生4。CTCF(CCCTC-binding factor)作为一种关键的染色质架构蛋白，在染色质三维结构的形成中发挥着重要作用。CTCF 可以在染色质黏连蛋白(cohesi

10、n)的协助下形成染色质环，cohesin 顺着环状结构两端向外延伸移动挤压导致染色质环增大，直至遇到两个方向朝环内的 CTCF 结合位点(CTCF binding site,CBS)并和 CTCF 共同稳定该环状结构，进而介导基因组范围内的远距离染色质相互作用。这些相互作用会优先在正向-反向的 CBS 对之间形成，这就是环挤出模型58。此外，CTCF 在脊椎动物中高度保守，在小鼠(Mus musculus)、鸡(Gallus gallus)和人(Homo sapiens)之间接近 100%的同源性，具有 11 个与 DNA结合的锌指结构，通过对这些锌指结构的组合使用，可以定向、动态地结合到基因

11、组中的数万个 CBS9。除了作为染色质架构蛋白，CTCF 还能够与绝缘子结合调控增强子与启动子的交互从而进行转录绝缘，以及作为转录抑制因子调控基因表达，甚至根据基因组中序列环境，CTCF 在基因激活、可变剪接和类别转换重组(class switch recombination,CSR)中发挥重要作用1015。虽然对 CTCF 已经有了大量的研究，关于 CTCF如何以及在何处调节绝缘子，进而对染色质高级结构进行调节的具体机制及功能，仍然有很多不清楚 的地方。近期有多篇关于 CTCF 功能和三维基因组学的科研论文发表，为更深入地理解 CTCF 介导的三维基因组机制和功能提供了新的视角。本文将进行部

12、分点评和讨论，为大家提供参考。1 CTCF 作为架构蛋白在三维染色质折叠中行使关键作用 CTCF 是脊椎动物中已知的最重要也是研究最多的绝缘体结合蛋白之一。CTCF 最初是在鸡中被发现对 c-myc 基因具有抑制作用，后又被发现可以阻断增强子功能11,16,17。之后的研究表明，CTCF 能够扮演多重角色，包括抑制子、增强子和绝缘子等10。近十几年的研究发现，CTCF 可能主要参与形成三维基因组结构。在染色质三维结构中，CTCF 能够通过阻碍 cohesin 蛋白在染色质上的滑动而形成染色质环结构，以此将线性距离较远的启动子与增强子拉到空间距离较近的交互区域内，对于基因组的三维架构以及关键基因

13、的转录调控具有重要作用8,18。此外，CTCF 可以介导一些转录相关因子（如 RNAPII）调控的三维结构，进而影响基因的转录调控。在单倍型水平上研究发现，单个 SNP 的改变也能影响CTCF 的结合进而导致 CTCF 维持的三维结构发生改变19。此前通过 ChIA-PET、Hi-C 等实验技术较多研究了 CTCF 在染色体三维结构中的重要作用，而有关研究表明 CTCF 的完全降解对全基因组转录的影响并没有那么显著20,21。2021 年美国圣裘德儿童研究医院Chunliang Li博士团队进一步分析了在CTCF蛋白完全降解后染色质可及性的变化以及 CTCF 调节转录的共调节因子22。该研究发

14、现 CTCF 蛋白降解后染色质结构发生了明显的重排，8876 个区域的 818 Hereditas(Beijing)2021 第 43 卷 可及性显著降低，8042 个区域的可及性显著增强。分析结果表明，可及性显著降低的区域中富集最高的特征序列(motif)就是 CBS motif，并且在可及性降低区域中 CBS 是以双峰形式分布的，而在新产生的以及未发生变化的可及性区域中 CBS 并无双峰分布。此外，通过计算差异可及性区域(differential accessibility regions,DARs)与附近 CBS 距离可知，可及性降低区域距离 CBS 最近(0 bp)，新生的可及性区域次

15、之（间隔大约 100 bp)，而未发生变化的可及性区域附近未发现 CTCF 富集。该研究表明，这些新生的可及性区域在野生型细胞中可能起到绝缘附近其它转录因子的作用，而 CTCF 的去结合使得附近转录因子之间的交互成为可能，这与新生的可及性区域更多地覆盖在基因启动子附近相符合。较多研究表明 CTCF 蛋白的结合受 CBS motif区域 DNA 甲基化水平的影响，并且有研究报道CTCF 单倍型剂量表达能够影响 DNA 甲基化的稳定性23。然而 Chunliang Li 团队通过全基因组 DNA 甲基化差异分析，发现 CTCF 在完全降解的情况下DNA 甲基化并未发生明显变化。此外，与之前的报道相

16、似20,21，Chunliang Li 团队发现在 CTCF 完全降解后，全基因组范围内基因的转录水平早期并未发生显著改变(仅有 488 个基因表达显著变化)。但是令人惊奇的是，在下游磷酸化以及蛋白水平上检测到了显著的差异。这些结果都表明 CTCF 对于 DNA 甲基化的维持和稳定，以及对于基因的转录和翻译的影响机制非常复杂，还需要后续更多针对性的分析和研究。2 CTCF 与绝缘子结合的功能及作用机制 绝缘子是一类能够保护基因不受周围染色质环境发出不当调控信号影响的 DNA 序列元件，对细胞类型特异性基因表达至关重要24。CTCF 是目前研究最广泛的绝缘子结合蛋白之一，能够以其串联的锌指结构方

17、向性地结合到 CBS 上9。上海交通大学系统生物医学研究院吴强团队近期利用 CRISPR 大片段编辑，结合染色质构象捕获技术对原钙粘蛋白(protocadherin,Pcdh)基因簇、HOXD 基因簇等研究发现单个 CTCF 绝缘子能够确保准确的增强子绝缘和启动子激活，串联排列的 CTCF 拓扑绝缘体能够平衡染色质的空间接触和增强子与启动子的拓扑性选择18,25,26。位于增强子和启动子之间的绝缘子，可以通过与远端的 CBS 形成染色质环，抑制启动子与增强子的远程互作，进而抑制目标基因的表达。该研究还突破性地发现串联CTCF 绝缘子具有拓扑性，能够促进远端基因与增强子的空间远程互作，进而可以平

18、衡染色质环的形成和增强子-启动子的拓扑性选择（模式图如图 1A 所示)。在对 Pcdh 基因簇的研究中还发现，CBS 的绝缘性与其方向无关，且与果蝇(Drosophila)中成对绝缘体会损坏彼此的绝缘活性所不同，哺乳动物中正向反向串联的 CBS 并不会损坏其绝缘活性。此外，串联的 CBS 具有叠加效应，即位点数目越多，调控范围越广，这与近期美国加州路德维希癌症研究所任兵团队通过利用小鼠胚胎干细胞开发的一种绝缘子报告系统所检测到的结果一致，多个串联的 CBS具有更好的绝缘效应10。任兵团队对于单个 CBS 检测的结果显示，单个 CBS 具有较弱或者无绝缘活性。此外，吴强团队对于人类全基因组 CB

19、S 进行计算模拟，推测人类全基因组范围内 CTCF 结合的 CBS 元件能够通过形成定向染色质环发挥绝缘子作用。任兵团队进一步研究了 CTCF 转录绝缘的序列环境依赖性，发现 CBS 核心序列上游 1020 bp 的序列决定了绝缘子效应，该序列可能通过与 CTCF 第 911 个锌指结构结合从而行使绝缘子功能。针对 CTCF 在基因组内何处会行使绝缘功能，任兵团队还发现位于拓扑相关结构域(topological-associated domain,TAD)边界的 CBS 比非边界的 CBS 更有可能充当绝缘子且与结合强弱无关。这些结果推动了 CTCF 绝缘效应及作用机制方面的研究，也需要科研人

20、员进一步深入探究。吴强团队对 HOXD 基因簇调控区域内一系列串联反向排列的 CTCF 位点进行删除及反转的结果也再次证明，串联反向的 CTCF 位点通过其绝缘子功能维持上下游增强子簇对 HOXD 基因簇表达调控的平衡。单个或者多个 TAD 边界的 CBS 删除，会改变 HOXD 基因簇启动子与增强子的远程交互，进而下调 HOXD 基因的表达。TAD 边界处 CBS 的全部删除，会改变 HOXD 基因的转录调控模式，原本受 第9期 周聪等:CTCF 在介导三维基因组形成及调控基因表达中的研究进展 819 图 1 CTCF 位点的拓扑绝缘性模式图 Fig.1 The diagram of top

21、ological insulation at CTCF sites A：当 CTCF 位点位于启动子和增强子中间时能够抑制启动子和增强子的远程交互，单个 CTCF 位点主要行使该项功能(左图)。串联排列的 CTCF 位点不仅能够抑制两侧的启动子和增强子之间的染色质远程交互，还能够促进增强子与远端启动子的交互(右图)，进而可以进行染色质空间接触的平衡和增强子启动子的拓扑性选择，这就是该研究中的绝缘子拓扑性。B：串联 CTCF 位点通过环挤出模型呈现出的“葫芦”模型示意图。到的下游增强子调控减弱，而上游增强子调控增强，调控平衡的破坏导致 HOXD 基因表达急剧下降。此外，TAD 边界区域 CBS

22、反转，会改变原有的染色质环方向，导致 TAD 边界漂移至新形成的一对反向正向 CTCF 位点处。为解释串联 CTCF 位点作为拓扑绝缘子的工作机制，吴强团队提出了葫芦模型，即由于 CTCF 与 DNA 结合的动态性，导致收敛方向的 CTCF 位点对于 cohesin 的阻碍并不完全，串联的CTCF 位点就可能通过环挤出模型呈现出类似于“葫芦”结构(模式图如图 1B 所示)。3 结语与展望 早期研究发现，CTCF 具有绝缘效应，随着三维基因组学的发展，证实 CTCF 作为染色质架构蛋 白，在染色质三维结构折叠中发挥了关键作用。近几年很多研究报道了关于 CTCF 与绝缘子结合对染色质高级拓扑结构和

23、基因表达的影响，这进一步推进了三维基因组折叠机制的研究进展。但是全基因组范围内CTCF对基因转录、翻译以及作为绝缘子、增强子的分布及作用机制仍有很多不清楚之处。例如，CTCF 蛋白降解后对于基因的早期转录水平影响并不太显著，但是对于下游蛋白表达水平和磷酸化修饰具有较大影响，针对这些问题未来还需要更加深入的探究。参考文献(References)：1 Schmitt AD,Hu M,Ren B.Genome-wide mapping and analysis of chromosome architecture.Nat Rev Mol Cell Biol,2016,17(12):743755.82

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25、W,Shi ZY,Tan YJ,He N,Wan J,Sun JL,Zhang YD,Huang YZ,Wang WJ,Fang C,Li JS,Zheng PP,Cheung E,Chen YL,Li L,Hou CH.Three-dimensional folding dynamics of the Xenopus tropicalis genome.Nat Genet,2021,53(7):10751087.5 Sanborn AL,Rao SSP,Huang SC,Durand NC,Huntley MH,Jewett AI,Bochkov ID,Chinnappan D,Cutkos

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28、451349.8 Handoko L,Xu H,Li GL,Ngan CY,Chew E,Schnapp M,Lee CWH,Ye CP,Ping JLH,Mulawadi F,Wong E,Sheng JP,Zhang YB,Poh T,Chan CS,Kunarso G,Shahab A,Bourque G,Cacheux-Rataboul V,Sung WK,Ruan YJ,Wei CL.CTCF-mediated functional chromatin interactome in pluripotent cells.Nat Genet,2011,43(7):630638.9 Phi

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39、al insulation of chromosome domains from genomic compartmentalization.Cell,2017,169(5):930944.e22.22 Xu BS,Wang H,Wright S,Hyle J,Zhang Y,Shao Y,Niu MM,Fan YP,Rosikiewicz W,Djekidel MN,Peng JM,Lu R,Li CL.Acute depletion of CTCF rewires genome-wide chromatin accessibility.Genome Biol,2021,22(1):244.2

40、3 Kemp CJ,Moore JM,Moser R,Bernard B,Teater M,Smith LE,Rabaia NA,Gurley KE,Guinney J,Busch SE,Shaknovich R,Lobanenkov VV,Liggitt D,Shmulevich I,Melnick A,Filippova GN.CTCF haploinsufficiency destabilizes DNA methylation and predisposes to cancer.Cell Rep,2014,7(4):10201029.24 West AG,Gaszner M,Felse

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