哺乳動(dòng)物染色質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控起著至關(guān)重要的作用。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：Topologically Associating Domains （TADs）和其內(nèi)部的DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)（DNA loops）。之前的研究表明這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的邊界（boundary）序列的破壞會(huì)造成鄰近基因的表達(dá)異常，從而可能引發(fā)疾病。但是，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何影響早期胚胎干細(xì)胞分化還尚未解決。

2021年8月12日，北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部精準(zhǔn)醫(yī)療多組學(xué)研究中心吳華君團(tuán)隊(duì)、美國(guó)哈佛大學(xué)Franziska Michor團(tuán)隊(duì)和德國(guó)馬普研究所Alexander Meissner團(tuán)隊(duì)合作在Nature Communications在線發(fā)表題為Topological isolation of developmental regulators in mammalian genomes的研究論文，揭示了參與胚胎干細(xì)胞分化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子會(huì)被染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所單獨(dú)隔離，打破這種隔離會(huì)造成胚胎干細(xì)胞分化受阻，造成早期干細(xì)胞發(fā)育異常，為深入研究人類早期胚胎發(fā)育和基因組3D結(jié)構(gòu)的關(guān)系提供了線索。

本文提出了一種假設(shè)：重要的發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（developmental regulators），特別是胚胎干細(xì)胞分化因子，會(huì)被染色質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（CTCF loop domain）保護(hù)起來以阻止臨近基因的干擾。基于此假設(shè)，作者設(shè)計(jì)了計(jì)算方法從Hi-C數(shù)據(jù)中尋找CTCF loop domain，并鑒定了一類這樣被單獨(dú)隔離的基因（包含于single-gene CTCF loop domain），命名為Topologically Isolated Genes (TIG)。進(jìn)一步分析證實(shí)了作者的假設(shè)：TIG富集胚胎干細(xì)胞和體細(xì)胞發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。進(jìn)化分析表明TIG邊界的CTCF序列在哺乳動(dòng)物中具有高度的跨物種保守性，這種保守性要顯著的高于其他CTCF loop domain的邊界CTCF序列。

圖. CTCF loop domain的分類和功能富集

接下來作者選取了在胚胎干細(xì)胞分化過程中具有代表性的兩個(gè)基因進(jìn)行了功能驗(yàn)證：SOX17包含在single-geneCTCF loop domain中，NANOG包含在multi-gene CTCF loop domain中。將包含SOX17的CTCF loop domain的邊界序列進(jìn)行敲除降低了內(nèi)胚層（endoderm）分化特異enhancer和SOX17基因啟動(dòng)子區(qū)之間的空間相互作用，導(dǎo)致SOX17在內(nèi)胚層分化過程中無法顯著上調(diào)，從而造成胚胎干細(xì)胞分化受阻。另一方面對(duì)包含NANOG的multi-gene CTCF loop domain邊界序列進(jìn)行敲除未發(fā)現(xiàn)明顯的表型和功能。預(yù)示著single-gene CTCF loop domain相比multi-gene CTCF loop domain在基因調(diào)控層面具有更加不可替代的功能，為進(jìn)一步更廣泛的功能研究提供了線索。

圖. 胚胎干細(xì)胞分化相關(guān)調(diào)控因子和SOX17位點(diǎn)的分析

之后作者分析了大量不同組織的Hi-C數(shù)據(jù)，表明在組織間保守的CTCF loop domain的邊界序列具有更高的跨物種保守性，揭示了這些序列在進(jìn)化過程中經(jīng)歷了選擇壓力（purifying selection）。另外，組織間保守的CTCF loop domain的邊界序列包含有更低的單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)，揭示了在人群中具有更低比率的germline variations，猜測(cè)可能具有胚胎致死的特性。

圖. 組織間保守的CTCF loop domain

文章最后利用Roadmap Epigenomics Project的數(shù)據(jù)，對(duì)這些組織間保守的CTCF loop domain如何影響其內(nèi)部的基因表達(dá)進(jìn)行了廣泛的分析，表明這些組織間保守的CTCF loop domain起到保護(hù)內(nèi)部基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控信號(hào)并防止信號(hào)溢出的功能，這一結(jié)果與之前的理論相吻合，進(jìn)一步證實(shí)了染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在基因可以表達(dá)方面的重要功能。

圖. 組織間保守的CTCF loop domain的隔絕作用

本研究利用計(jì)算方法從Hi-C數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)大量發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子被染色質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（CTCF loop domain）所單獨(dú)隔離，并揭示這種染色質(zhì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何通過調(diào)控重要分化因子（SOX17基因）從而影響早期胚胎干細(xì)胞分化的機(jī)制。為深入研究人類基因組3D結(jié)構(gòu)調(diào)控早期胚胎發(fā)育起到了推動(dòng)作用。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24951-7

吳華君實(shí)驗(yàn)室主頁：

http://cpmmr.bjmu.edu.cn/situation/tteam/219572.htm?

另外，實(shí)驗(yàn)室招聘博士后研究人員，詳情請(qǐng)查看北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部精準(zhǔn)醫(yī)療多組學(xué)研究中心吳華君課題組博士后和技術(shù)員招聘啟事

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Nat. Commun.｜北京大学吴华君，基因组3D结构调控胚胎干细胞分化的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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