探秘 Igh 基因座：调控元件如何塑造染色质结构与功能

研究人员为解析 Igh 基因座调控元件作用，研究其对染色质结构影响，揭示相关机制，意义重大。

　　在微观的基因世界里，基因的表达与重组就像一场精密的交响乐演奏，每个音符都不能出错，而这背后离不开基因组的三维组织调控。免疫球蛋白重链基因（Igh）的重组和转录，更是这场演奏中的关键乐章，对免疫系统的正常运作起着至关重要的作用。野生型 Igh 等位基因的结构中，有一个显著的 “建筑条纹”，它从基因座 3′端的 CTCF 结合元件簇（3′CBE）延伸出来，暗示着这一端与整个 2Mb 的 Igh 拓扑相关结构域（TAD）中的序列存在相互作用。然而，位于 3′Igh 结构域（260kb）的调控元件之间是如何相互作用并影响这个 “建筑条纹” 的形成的，在这项研究开展之前，仍是一个未解之谜。为了揭开这个谜团，来自美国国立衰老研究所（Laboratory of Molecular Biology and Immunology, National Institute on Aging）等机构的研究人员 Fei Ma、Noah Ollikainen 等开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解染色质结构和功能的调控机制提供了重要线索。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是捕获 Hi-C（capture Hi-C）和 Hi-C 技术，用于探测 Igh 基因座的结构；二是染色质免疫沉淀测序（ChIP-Seq）技术，来分析 CTCF、Rad21 结合以及组蛋白修饰情况；三是定向 RNA 测序（directional RNA-Seq）技术，以研究转录状态；四是 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，用于生成突变等位基因。实验所用细胞系主要为 Abelson 病毒转化的重组酶缺陷细胞系等，并通过慢病毒感染等方式进行相关实验操作。

下面来看具体的研究结果：

• Eμ 的作用：研究人员利用捕获 Hi-C 技术发现，Eμ 缺失会导致两个亚结构域部分融合，3′CBE 条纹强度降低。这表明 Eμ 作为两个亚 TAD 之间的边界元件，对未重排的 Igh 等位基因的长距离环挤出有促进作用。为了进一步探究 Eμ 的功能，研究人员用 EF1α 启动子替换 Eμ。结果发现，EF1α 启动子在两种方向上都能恢复 3′亚 TAD 及其与 3′CBE 的相互作用，但无法恢复与 IGCR1 的相互作用，也不能促进 VDJ 重组。这说明 Eμ 在 B 细胞发育中有着不可替代的作用。
• IGCR1 的贡献：通过对 WT 和 IGCR1 缺失的 pro-B 细胞进行 anti-CTCF 和 anti-Rad21 Hi-ChIP 实验，研究人员发现，IGCR1 缺失会导致以 IGCR1 为锚的条纹消失，3′CBE 条纹在 Eμ - 近端 VH 区间减少，但在近端 VH 基因之外增强。同时，IGCR1 缺失还会导致 Eμ 与近端 VH 基因的异常相互作用，产生异常的重排产物，降低功能性 Igh 重排的效率。
• 3′CBE 的贡献：研究人员删除或反转 3′CBE 后发现，删除 3′CBE 会减少相关条纹以及与 Eμ 和 IGCR1 的相互作用；反转 3′CBE 则会使条纹远离 Igh 基因座，减少进入基因座的条纹，但仍能作为边界元件防止 IGCR1 和 Eμ 与下游基因的异常相互作用。这表明 3′CBE 的 CTCF 结合位点方向决定条纹方向，但不影响边界形成。

在研究结论和讨论部分，研究人员系统地分析了 Igh 基因座中 Eμ、IGCR1 和 3′CBE 这三个调控元件在调节 DNA 重组和转录中的作用机制。他们发现，缺乏 CTCF 结合的增强子 Eμ 在 CTCF 界定的 TAD 内充当边界元件，增强了由 3′CBE 锚定的条纹；与 Eμ 相反，CTCF 结合的 IGCR1 减弱了 3′CBE 条纹，二者具有相互拮抗的作用；3′CBE 条纹的方向对其边界功能影响较小。这些发现不仅有助于我们深入理解 Igh 基因座的调控机制，还为研究其他基因座的染色质结构和功能提供了重要的参考。此外，研究还对染色质条纹的形成机制有了新的认识，为进一步研究基因组的三维组织调控奠定了基础。这项研究成果在生命科学领域具有重要的意义，为后续相关研究开辟了新的方向，有望推动我们对基因表达调控和免疫系统发育的理解达到一个新的高度。