哺乳動物染色質的拓撲結構對基因轉錄調控起著至關重要的作用。這些拓撲結構包括：Topologically Associating Domains （TADs）和其內部的DNA環狀結構（DNA loops）。之前的研究表明這些拓撲結構的邊界（boundary）序列的破壞會造成鄰近基因的表達異常，從而可能引發疾病。但是，這些拓撲結構如何影響早期胚胎干細胞分化還尚未解決。

2021年8月12日，北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心吳華君團隊、美國哈佛大學Franziska Michor團隊和德國馬普研究所Alexander Meissner團隊合作在Nature Communications在線發表題為Topological isolation of developmental regulators in mammalian genomes的研究論文，揭示了參與胚胎干細胞分化的轉錄調控因子會被染色質拓撲結構所單獨隔離，打破這種隔離會造成胚胎干細胞分化受阻，造成早期干細胞發育異常，為深入研究人類早期胚胎發育和基因組3D結構的關系提供了線索。

本文提出了一種假設：重要的發育相關轉錄因子（developmental regulators），特別是胚胎干細胞分化因子，會被染色質的拓撲結構（CTCF loop domain）保護起來以阻止臨近基因的干擾。基于此假設，作者設計了計算方法從Hi-C數據中尋找CTCF loop domain，并鑒定了一類這樣被單獨隔離的基因（包含于single-gene CTCF loop domain），命名為Topologically Isolated Genes (TIG)。進一步分析證實了作者的假設：TIG富集胚胎干細胞和體細胞發育相關的轉錄調控因子。進化分析表明TIG邊界的CTCF序列在哺乳動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胞分化過程中具有代表性的兩個基因進行了功能驗證：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的邊界序列進行敲除降低了內胚層（endoderm）分化特異enhancer和SOX17基因啟動子區之間的空間相互作用，導致SOX17在內胚層分化過程中無法顯著上調，從而造成胚胎干細胞分化受阻。另一方面對包含NANOG的multi-gene CTCF loop domain邊界序列進行敲除未發現明顯的表型和功能。預示著single-gene CTCF loop domain相比multi-gene CTCF loop domain在基因調控層面具有更加不可替代的功能，為進一步更廣泛的功能研究提供了線索。

圖. 胚胎干細胞分化相關調控因子和SOX17位點的分析

之后作者分析了大量不同組織的Hi-C數據，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化過程中經歷了選擇壓力（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性位點，揭示了在人群中具有更低比率的germline variations，猜測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的數據，對這些組織間保守的CTCF loop domain如何影響其內部的基因表達進行了廣泛的分析，表明這些組織間保守的CTCF loop domain起到保護內部基因轉錄調控信號并防止信號溢出的功能，這一結果與之前的理論相吻合，進一步證實了染色質拓撲結構在基因可以表達方面的重要功能。

圖. 組織間保守的CTCF loop domain的隔絕作用

本研究利用計算方法從Hi-C數據中發現大量發育相關轉錄因子被染色質的拓撲結構（CTCF loop domain）所單獨隔離，并揭示這種染色質的拓撲結構如何通過調控重要分化因子（SOX17基因）從而影響早期胚胎干細胞分化的機制。為深入研究人類基因組3D結構調控早期胚胎發育起到了推動作用。

原文鏈接：

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

吳華君實驗室主頁：

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

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總結

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內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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