CTCF邊界區域生物學功能探究

撰文 | 我的閨蜜老紅帽

複雜生物的發育依賴於多種基因表達模式，而這些模式通常是通過遠端調節子與基因之間的相互作用來實現的【1】。高通量構象捕獲技術（High-throughput conformation capture methods，簡稱Hi-C）顯示【2,3】，真核生物的基因組通常以拓撲結構關聯域（topologically associating domains，簡稱TADs）的形式存在【4,5】，也就是調節子與靶基因之間存在一定距離【6,7】。另外，TADs之間通過邊界區域隔開，這就限制了臨界域之間調控混亂的情況發生。

轉錄抑制子CCCTC-結合因子（簡稱CTCF）存在於大部分邊界區域之中【4】，其缺失會導致全基因組缺失TADs【8-10】。在TAD邊界區域，CTCF結合位點（CTCF binding site，簡稱CBSs）在脊椎動物進化中高度保守。染色質環的形成通常與TAD邊界密切相關，且常常形成於CBSs對之間。這一偏好性可以用“環擠出模型（loop extrusion model）”來解釋。

雖然TAD邊界區域在維持染色體空間結構上具有至關重要的作用，它們對基因表達對影響情況仍就不深清楚。在一些特殊位點上突變TAD邊界區域通常會產生一定的表型變化，而在其它基因組區域則往往只會導致輕微的轉錄水平變化。另外，對體外培養細胞的TADs進行廣泛突變後，其對基因表達的影響卻是很有限的。不僅如此，單個細胞的染色體構象往往於RNA測序所檢測到的邊界區域變化關係不大。上述存在矛盾的結果顯示了在細胞發育階段，全面系統的研究邊界區域十分必要。

2022年7月11日，來自德國柏林的Darío G. Lupiáñez研究組在Nature Genetics上發表題爲In vivo dissection of a clustered-CTCF domain boundary reveals developmental principles of regulatory insulation的文章，結合全基因組學分析和小鼠體內試驗，揭示了TAD邊界區域的具體生物學功能。

首先，作者通過對發育中的小鼠四肢進行CTCF ChIP-seq，確定在Epha4-Pax3（簡稱EP）邊界區域存在6組CBSs。並且，由CBSs所編碼和調控的EP元件具有絕緣性能。邊界區域往往主要由CBSs構成，這也提示了此位點數目很可能與其功能相關。作者確定，CBS的數目的確可以影響其絕緣性，但每一個位點的獨特特徵是決定邊界區域生物學功能之所在。爲了研究CBS之間是否存在冗餘性，作者構建了單一和多敲除位點的細胞系，並通過Hi-C圖譜等方法確定，CBSs之間是存在協同作用的，但是，如果缺失其中一個位點，其它位點可以部分補償缺失位點的功能，這也說明邊界區域存在一定程度的功能冗餘作用。

接下來，作者研究CBS的變化是否會影響“環擠出模型”以及其絕緣性能。作者通過轉基因鼠模型發現，在全基因組水平，特定CBSs形成染色質環並不依賴於模體（motif）定向，而是很可能依賴於環結構變化。作者還發現，CBSs的序列多樣性以及其定向與絕緣性能關係不大。

再下來，作者研究CTCF結合與EP邊界功能之間的關係。作者發現在染色體上，增強子與啓動子之間距離是決定該基因表達水平的關鍵性因素。

在人類和小鼠模型中，PAX3的表達異常很可能導致拇指和食指發育不全。因此，作者最後研究邊界區域的絕緣性能與趾端發育之間的關係。作者發現，單一位點的缺失，可以導致Pax3表達異常，但指端發育正常。而多個位點突變則導致Epha4和Pax3的TADs發生融合，從而導致食指發育異常，而此時Pax3表達異常的比例更高。也就是說，邊緣區域的絕緣性可以調控基因的表達水平以及相應表型的。

綜上所述，作者結合了全基因組分析和轉基因小鼠模型系統研究CTCF邊界區域的生物學功能。CBS多位點敲除顯示其功能存在一定程度的冗餘性，並且，其絕緣性能可以調控相應基因的表達和表型。

https://doi.org/10.1038/s41588-022-01117-9

製版人：十一

參考文獻

1. Long, H. K., Prescott, S. L. & Wysocka, J. Ever-changing landscapes: transcriptional enhancers in development and evolution.Cell167, 1170–1187 (2016).

2. Lieberman-Aiden, E. et al. Comprehensive mapping of long-range interactions reveals folding principles of the human genome.Science326, 289–293 (2009).

3. de Wit, E. & de Laat, W. A decade of 3C technologies: insights into nuclear organization.Genes Dev.26, 11–24 (2012).

4. Dixon, J. R. et al. Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions.Nature485, 376–380 (2012).

5. Nora, E. P. et al. Spatial partitioning of the regulatory landscape of the X-inactivation centre.Nature485, 381–385 (2012).

6. Shen, Y. et al. A map of the cis-regulatory sequences in the mouse genome.Nature488, 116–120 (2012).

7. Symmons, O. et al. Functional and topological characteristics of mammalian regulatory domains.Genome Res. 24, 390–400 (2014).

8. Gómez-Marín, C. et al. Evolutionary comparison reveals that diverging CTCF sites are signatures of ancestral topological associating domains borders.Proc. Natl Acad. Sci. USA112, 7542–7547 (2015).

9. Flavahan, W. A. et al. Insulator dysfunction and oncogene activation in IDH mutant gliomas.Nature529, 110–114 (2016).

10. Hnisz, D. et al. Activation of proto-oncogenes by disruption of chromosome neighborhoods.Science351, 1454–1458 (2016).

（可上下滑動閱覽）

轉載須知

【原創文章】BioArt原創文章，歡迎個人轉發分享，未經允許禁止轉載，所刊登的所有作品的著作權均爲BioArt所擁有。BioArt保留所有法定權利，違者必究。