上海交大观测到染色质喷射现象，促进对3D基因组构建机制的理解

据一项研究估计，人体内约有 37 万亿个细胞，细胞核是储存遗传物质 DNA 的地方，几乎所有细胞都具有一个细胞核。在细胞核内，DNA 会被主要折叠成直径约 30nm 的染色质纤维。

有一种巨型的环状蛋白质复合体，被称为黏连蛋白（Cohesin）。在人体如此多的细胞之内，它负责为染色质 DNA 建立有序的、动态的相互作用。

如图所示，染色质在细胞核里的空间安排，并不全是随机的、更不是混乱的，而是高度有序的。

图 | 细胞核内染色质折叠规律模式图（来源：郭亚）

据估计，每个细胞拥有数万个黏连蛋白上载位点。那么，它是如何在多细胞的多位点，实现介导染色质的互作呢？

DNA 环挤出，是一种目前被广泛认可的、用于解释黏连蛋白介导染色质互作分子机制的模型。然而，目前我们对 DNA 环挤出机制的认识，依旧非常有限。

单分子检测实验显示，黏连蛋白或类似的凝缩蛋白（Condensin）环形蛋白，在体外可以介导裸露的 DNA 与 DNA 间相互作用。但其介导的互作是否对称，现在依旧存在争议。

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在关于人体体内的研究里，已有一些成果暗示了 DNA 环挤出的作用方式。比如，上海交通大学团队于 2015 年发表在 Cell 上的论文表明：黏连蛋白总是倾向于在一对相对方向的 CTCF（CCCTC binding factor，转录绝缘子结合蛋白）结合位点之间，来建立染色质的环化。

这表明，由黏连蛋白介导或主要介导的，是一种顺式的相互作用。因此，这基本只能由 DNA 环挤出模型来进行解释。

而在近日，郭亚等人发表在 Molecular Cell 杂志上的论文，为 DNA 环挤出提供了更直接、更关键的体内证据。

他们先是绘制了处于间期 T 细胞的高分辨率染色质互作图谱，这让其获得了最可靠的体内数据。该团队观测到，胸腺 T 细胞内有许多呈“喷射”状的染色质互作模式，也就是黏连蛋白从某一点开始、在两个方向同时拉两翼的 DNA，它们以对称方式介导 DNA 与 DNA 间相互作用。

通过基因敲除转录阻抑物 CTCF后，可以观察到一些不对称的“喷射”状的互作模式开始转变为对称的，这与在黏连蛋白介导 DNA 环挤出中转录阻抑物所扮演的 “停止者” 的角色互为一致，也表明黏连蛋白介导 DNA 环挤出的结果，会带来对称的染色质互作。

作为对照，当同时敲除转录阻抑物和黏连蛋白，则几乎不能测量到这些呈“喷射”状的互作模式，这表明它的确是由黏连蛋白介导的。

图 | 黏连蛋白介导的染色质“喷射”模式图（来源：郭亚）

如图所示，该研究观测到了色质“喷射”现象并提供了 DNA 环挤出模型的关键在体参数，包括双向性、对称性和环挤出长度。

因此，此次工作描述了黏连蛋白介导染色质互作的方式，很大程度上弥补了高等真核生物黏连蛋白介导 DNA 环挤出在体证据不足的短板。

近日，相关论文以《染色质喷射定义了黏连蛋白驱动的体内循环挤压的特性》（Chromatin jets define the properties of cohesin-driven in vivo loop extrusion）为题发表在 Molecular Cell 上（IF 15.3）。同期 Molecular Cell 杂志发表评论文章：（Right on target: Chromatin jets arise from targeted cohesin loading in wild-type cells）。

图 | 相关论文（来源：Molecular Cell）

郭亚担任共同第一作者[1]，伦敦帝国理工学院临床科学研究所教授马蒂亚斯· 默肯施拉格（Matthias Merkenschlager）、以及伦敦帝国理工学院数学系教授贡纳尔 ·普鲁斯纳（Gunnar Pruessner）担任共同通讯作者。

第一位评审专家认为，该工作强烈暗示了黏连蛋白介导 DNA 环挤出，的确在体内存在。且为这一神奇的过程，提供了新机制上的认识。

第二位审稿人称，该课题组鉴定和描述了之前从未被发现的“喷射”染色质的互作模式，为黏连蛋白介导染色质互作提供了新的描述，论证也是充分的。

第三位评审专家表示，郭亚等人为黏连蛋白介导 DNA 环挤出提供了有价值的新认识，并预估对于理解细胞内的 3D 基因组构建原理，这一发现可带来潜在性的帮助。

有助于鉴定疾病和致病的遗传变异

早在 2015 年底，研究小组就开始构思和立项本次课题，直到 2018 年取得关键进展，并将相关发现命名为染色质“喷射”。后又耗时 3 年多进行论证，累计研究了 6 年半左右才最终正式投稿。

而在应用前景上，郭亚表示，简单来说没有黏连蛋白就没有调控元件之间“聪明”的互作，比如启动子、增强子、绝缘子和沉默子等顺式调控元件之间特异性的互作。

图 | 郭亚（来源：郭亚）

单独去除黏连蛋白会导致约 5%-10% 的基因表达异常，而在动态性的基因表达调控中，黏连蛋白的影响力会更大。

说到这里郭亚表示：“比如我们发表在 Nature Immunology 杂志上的论文研究发现，黏连蛋白的缺失会导致基因表达不能被正常地诱导，巨噬细胞不能有效地被活化。”

当黏连蛋白发生突变时便会引起一类疾病——黏连蛋白病。而黏连蛋白介导的染色质互作已与和记忆形成、DNA 复制、染色体分裂、抗体多样性等核心生命进程联系起来，也与肿瘤等疾病的发生密切相关。

而此次工作为黏连蛋白介导的 DNA 环挤出模型，提供了新的在体证据，描述了体内黏连蛋白介导染色质互作的一些关键特征，其意义更多体现在理论方面。

而针对 3D 基因组研究的潜在应用，其价值可能主要体现在两方面：

其一，有助于鉴定疾病和致病的遗传变异，或可为基因编辑治疗提供依据。随着人类基因组测序的完成，遗传变异特别是基因编码区相关的遗传变异，已和许多疾病的发生、发展联系起来。

然而，仍有许多疾病的遗传病因晦涩难懂，特别是多基因的复杂疾病，其致病变异可能位于基因非编码区，比如系统性红斑狼疮。

“我们曾参与过一项关于红斑狼疮遗传变异的病因分析，今年已在线发表相关论文。该研究表明，遗传变异很可能通过附近染色质互作的改变，而影响了基因的表达。”郭亚说。

可以预测的是，随着人们更深入地理解调控元件之间的互作分子机制，将有更多疾病的遗传病因被鉴定出来。

其二，相关研究能为高等真核生物的合成生物学应用，提供一定的理论依据。可以想象的是，假如对高等真核生物的基因组进行编辑或重新设计，如果连调控元件之间的物理互作关系都没弄清楚，即便我们拿着基因编辑的“手术刀”，也会有“无从下手”的感觉。

未来，随着基因组测序成本的降低，每个人拿到自己的遗传信息时，都会关心自己基因组的遗传变异到底在哪里，人工智能也会提醒我们可能发生的疾病。

如前所述，在人体体内约 37 万亿个细胞的数万个位点上，黏连蛋白一直不停地介导调控元件之间的互作，深入研究它的分子机制，或能让我们每个人都从中受益。

找到“喷射”状模式

据介绍，这项研究最大的突破点在于，从基因组范围内的染色质互作图谱中找到“喷射”状模式。

其实公开发表的 3D 基因组数据已有很多，但是大家都没有留意到这种类似“喷射”状的模式。

“当然也因为我们获取的数据质量比较高，又是从体内一种比较单纯的细胞类型中获取的数据，这让我们有机会看得更清楚。”郭亚说。

例如，下图左侧显示出一种异常的互作模式，其中互作偏向左边；下图中间的内容是敲除转录阻抑物之后，偏左边的互作变为对称状，并呈现了染色质“喷射”的互作模式；下图右侧显示的是对照，即同时敲除黏连蛋白和转录阻抑物后，这种“喷射”几乎完全消失。

图 | 染色质“喷射”状的互作模式图（来源：郭亚）

说到这里郭亚表示：“记得 2018 年我跟博士后导师 Matthias 汇报时，他非常的开心，很快就为该发现找到一个很酷的名字，也就是染色质‘喷射’，英文是 Chromatin Jets。”在英文中，当 Jets 作为名词时，主要指喷气式飞机或喷射，它能很形象地描述了这一发现。

郭亚补充说：“我们的工作显示，黏连蛋白在体内介导的染色质互作，总体上呈现出对称状，介导的染色质互作的集合表现出‘喷射’模式。染色质‘喷射’显示，黏连蛋白最多能介导约 2 百万碱基对的、超远距离的染色质的互作。”

这对于细胞内的染色质来说，位置的确很远，远超出研究小组的预期。在实验论证方面，他们做了转录阻抑物敲除、转录阻抑物、和黏连蛋白亚基 Rad21 的同时敲除。

结合之前该团队发表的 Rad21 单敲除数据，他们进一步确定是黏连蛋白介导了这些染色质“喷射”。同时，转录阻抑物还能干扰染色质“喷射”的方向。

据介绍，郭亚于 2015 年在上海交大获得博士学位，之后到英国帝国理工学院进行博士后训练。2020 年回到交大生命科学技术学院建立自己的课题组。

他说：“我们在最近三年、甚至数十年里，都将重点研究基因组调控元件之间的联系，以及基因表达调控机制的研究。”

目前，郭亚还有两项正在开展的工作。第一个是测量基因组范围内、黏连蛋白阻抑物结合强度。

要弄明白黏连蛋白如何“聪明地”将调控元件，从而通过物理方式联系在一起，需要知道其“停止者”在哪里、以及被停止的效率如何。

可以简单地打个比方，汽车可以停在高速公路服务区，但是在高速公路上需要快速行驶，不能随意停车。这里行驶的“汽车”是黏连蛋白介导的 DNA 环挤出，“高速公路”就是染色质，而被激活的转录阻抑物位点则是指定的服务区停车点。

郭亚正在进行的第二个工作，是绘制全基因组黏连蛋白上载和卸载位点图谱，即通过质谱等高通量蛋白质组技术，去鉴定黏连蛋白相关互作蛋白谱，从而研究转录等与黏连蛋白介导 DNA 环挤出的关系，并采用人工智能等生物信息学技术，去研究表观遗传修饰等与基因组折叠的关系。

最后，郭亚表示：“我希望自己的这些介绍能起到‘抛砖引玉’的作用，让更多的学生关注和喜爱上基础生命科学研究。正如国家基金委网页上所写的‘基础研究是整个科学体系的源头，是所有技术问题的总机关’。

相信在我们国家科研人员的共同努力下，或许有望让中国在 3D 基因组这一生命科学的新兴领域实现‘弯道超车’，抢占基础研究的制高点。为我们国家在相关疾病的治疗上、以及合成生物学等领域的应用，提供创新的思路。”

参考资料：

1.Guo, Y., Al-Jibury, E., Garcia-Millan, R., Ntagiantas, K., King, J. W., Nash, A. J., ... & Merkenschlager, M. (2022). Chromatin jets define the properties of Cohesin-driven in vivo loop extrusion. Molecular Cell, 82(20), 3769-3780.

2.Molecular Cell 杂志发表评论文章：Right on target:Chromatin jets arise from targeted cohesin loading in wild-type cells

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