CTCF突变对基因调控和染色质结构的影响：从分子机制到疾病关联

《Cell Genomics》：Binding domain mutations provide insight into CTCF’s relationship with chromatin and its contribution to gene regulation

本研究深入剖析了CTCF（CCCTC结合因子）突变对基因调控和染色质结构的影响，揭示了其在癌症和神经发育障碍中的潜在作用机制。

　　 CTCF（CCCTC结合因子）是一种在基因调控中发挥关键作用的转录因子，其通过与染色质结合形成拓扑关联域（TAD）结构，限制调控元件与目标基因的相互作用。然而，CTCF的功能受到其结合位点的基因组背景和自身结合特性的影响。本研究利用一系列CTCF突变，深入探究了CTCF与染色质之间的关系及其在基因调控中的贡献。 研究人员构建了一个基于小分子诱导降解系统（AID）的胚胎干细胞（mESC）模型，通过添加IAA（吲哚乙酸）诱导CTCF降解，并利用Dox（多西环素）诱导WT或突变CTCF的表达。通过ChIP-seq分析发现，CTCF的信号强度与染色质可及性相关，且其阻断cohesin（凝聚素）的能力取决于结合稳定性。多变量建模表明CTCF信号和染色质可及性独立影响cohesin结合和绝缘，但CTCF信号强度具有更强效应。此外，CTCF的结合位点在cohesin存在的情况下可及性降低，且这种降低具有突变特异性。 在研究CTCF与染色质可及性的关系时，研究人员发现CTCF结合位点的可及性在cohesin依赖性方式下降低。通过ATAC-seq（转座酶可及性染色质测序）分析，发现CTCF结合位点的可及性与CTCF信号强度呈负相关。此外，CTCF结合位点的可及性降低与cohesin的结合密切相关，表明CTCF可能通过影响cohesin的结合来调节染色质可及性。 进一步的荧光恢复后光漂白（FRAP）实验显示，与WT CTCF相比，所有突变体的染色质结合时间（“OFF”率）和结合分数（“ON”率）均发生了变化。这些结果表明CTCF的结合稳定性对其功能至关重要，且不同突变体对cohesin结合和绝缘的影响与其结合稳定性相关。 研究人员还发现，CTCF突变对基因表达和转录因子（TF）结合产生了间接影响。通过RNA-seq分析，发现CTCF突变导致基因表达网络的重编程，且这些变化主要通过间接机制实现。此外，CTCF突变还影响了细胞分化的能力，表明CTCF在细胞命运决定中发挥重要作用。 在染色质互作和绝缘方面，Hi-C分析显示每个突变体都具有独特的染色质互作模式，且与WT相比，突变体在TAD内部的互作强度和边界强度发生了变化。此外，CTCF结合位点的绝缘分数与CTCF信号强度呈正相关，而与染色质可及性关系较小。这些结果表明CTCF信号强度在决定CTCF-cohesin重叠和绝缘方面起主导作用。 综上所述，本研究通过综合分析CTCF突变对染色质结合、可及性、基因表达和染色质结构的影响，揭示了CTCF在基因调控中的复杂作用机制。这些发现不仅为理解CTCF在正常生理过程中的功能提供了新的视角，也为研究CTCF相关疾病的发生机制和潜在治疗靶点提供了重要参考。