MyoD1 基因核周定位新机制：WFS1 与活性增强子的关联

研究为探究 MyoD1 核周定位机制，发现 WFS1 介导其定位，为基因调控研究提供新视角。

　　在生命的微观世界里，基因的表达调控就像一场精密的交响乐演奏，而基因组的空间组织则是这场演奏的舞台。在哺乳动物细胞中，基因组被分为常染色质（对应 A 区室）和异染色质（对应 B 区室），其中异染色质大多位于核周，与基因沉默密切相关。以往的研究认为，基因与核周的关联通常意味着转录抑制，然而越来越多的证据表明，活跃转录的基因也能定位在核周，可其背后的分子机制却一直扑朔迷离。

MyoD1 基因作为肌细胞生成的关键调控基因，在增殖的成肌细胞中，它虽处于核周位置，却能维持一定水平的表达，这一现象引发了科学家们的浓厚兴趣。为了揭开 MyoD1 基因核周定位的神秘面纱，来自奥地利维也纳生物中心校区马克斯?佩鲁茨实验室（Max Perutz Labs）等机构的研究人员开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解基因的空间调控机制提供了全新的视角。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们借助 CRISPR/Cas9 技术构建了成肌细胞报告细胞系，通过在 MyoD1 基因下游插入 LacO 重复序列，并结合表达 LacR - GFP 融合蛋白，实现了对 MyoD1 基因三维核定位的实时监测。其次，染色质免疫沉淀（ChIP）结合下一代测序技术（ChIP - seq），帮助他们分析 WFS1 蛋白与基因组区域的结合情况，确定其在全基因组范围内与活性增强子的关联。此外，3D 成像及图像分析技术，能精确测量基因座到核周的距离，追踪基因定位的变化。

下面来看看具体的研究结果。

• Reporter cell system monitors the nuclear position of the MyoD1 locus：研究人员成功建立了 C2C12 成肌细胞报告细胞系，利用定制的图像采集和分析流程，发现 MyoD1 基因座在成肌细胞分化过程中会从核周向核内迁移，且与 Pax7 基因座相比，在增殖的成肌细胞中 MyoD1 基因座更靠近核周。同时，大部分靠近核周的 MyoD1 基因座位于 H3K9me2 标记的异染色质层内，这表明 MyoD1 基因座的定位与核周异染色质环境可能存在某种联系。
• Heterochromatin reorganization does not affect MyoD1 localization：为了探究异染色质环境对 MyoD1 基因定位的影响，研究人员敲除了参与异染色质锚定到核周的候选基因，如 lamin A/C、emerin、LAP2β 和 LBR 等。结果发现，这些基因的敲除并没有显著改变 MyoD1 基因座的径向位置，即使在 lamin A/C 和 LBR 双敲除导致异染色质重新组织和 LADs 从核周脱离的情况下，MyoD1 基因座仍维持在核周。这说明 MyoD1 基因的核周定位并不依赖于核周异染色质的锚定机制，暗示存在其他未知的调控机制。
• Identification of nuclear envelope anchors for MyoD1：研究人员通过 CRISPR/Cas9 系统敲除多个核内膜候选蛋白，发现 Tmem38a 和 WFS1 的敲除会导致 MyoD1 基因座显著向核内重新定位，表明这两种蛋白可独立将 MyoD1 基因座锚定在核周。进一步研究发现，WFS1 在增殖的成肌细胞中主要定位于内质网（ER），部分也存在于内核膜，且其 N 端面向细胞质，C 端位于 ER 腔。
• ER membrane protein WFS1 localizes in the inner nuclear membrane：通过免疫荧光分析和免疫沉淀实验，研究人员证实 WFS1 在成肌细胞中有表达，且在 Tmem38a 敲除细胞中其表达和定位不受影响。高分辨率显微镜观察显示，WFS1 与内核膜蛋白 LAP2β 的信号在核膜处重合，表明 WFS1 部分位于内核膜，可能通过其核质 N 端与染色质或基因组位点相互作用。
• WFS1 associates with the core enhancer region of the MyoD1 gene：WFS1 染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）结果显示，WFS1 在 MyoD1 基因上游的核心增强子区域有显著富集，且该区域富含活性组蛋白标记，与 MyoD1 基因的活跃转录状态相符。此外，在 MyoD1 基因的核心增强子序列中发现了与 WFS1 结合的 E - box 基序，进一步证实了 WFS1 与 MyoD1 基因活性增强子的关联。
• WFS1 binds to active gene regulatory sequences genome - wide：研究人员对 WFS1 在全基因组的结合位点进行分析，发现 WFS1 主要与活跃的、可及的增强子区域结合，这些增强子与表达的肌肉相关基因相连。与随机区域相比，WFS1 结合位点与远端或近端增强子样序列的重叠率更高，且在这些增强子上的 ChIP 信号强度更强。这表明 WFS1 在全基因组范围内参与了活跃基因调控元件的定位。

研究结论和讨论部分，研究表明 MyoD1 基因的核周定位不依赖于异染色质与核膜的附着，而是由内核膜蛋白 WFS1 特异性锚定。WFS1 主要与 MyoD1 及其他表达基因的活性调控元件相互作用，在核周的整体异染色质抑制环境中，实现活跃基因调控元件的定位。这种机制可能通过物理抑制增强子 - 启动子相互作用，限制增强子与其他基因启动子的非特异性相互作用，以及限制基因与核内转录因子的相互作用，从而维持 MyoD1 基因在增殖成肌细胞中的基础表达水平，避免其过早上调。这一发现为理解基因在核内的空间调控机制提供了重要线索，揭示了一种新的活跃基因调控元件与核周结合的途径，对于深入研究肌细胞生成过程中的基因表达调控具有重要意义，也为相关肌肉疾病的研究提供了潜在的靶点和理论基础。未来，进一步探究核周增强子锚定的功能相关性及其在基因表达调控中的具体作用，将有助于我们更全面地理解基因表达调控的奥秘。