CTCF 在人类红细胞生成中的关键作用：维持染色质可及性与基因表达平衡

为探究 CTCF 对红细胞生成的影响，研究人员构建模型研究，发现其在维持染色质可及性和基因表达方面至关重要。

　　在生命的微观世界里，细胞的分化和发育如同一场精密的交响乐，每一个音符都至关重要。红细胞生成（erythropoiesis），作为造血过程中的关键环节，一直是生命科学领域的研究热点。红细胞从造血干细胞和祖细胞逐步分化而来，这一过程伴随着基因转录组、蛋白质组的重塑，以及 DNA 甲基化和染色质结构的改变 。然而，尽管科学家们对这一过程已经有了一定的了解，但其中仍有许多谜团等待解开。

CCCTC 结合因子（CTCF），作为哺乳动物三维基因组结构维持和基因表达调控的 “大师级” 调控因子，在细胞分化中起着不可或缺的作用。在造血系统中，CTCF 对造血干细胞的增殖和分化至关重要，它控制着多个干性基因的表达。尽管如此，CTCF 在基因转录中的抑制作用，以及它如何与其他转录因子（TFs）协同作用促进细胞谱系分化，仍未完全明晰。尤其是在红细胞生成过程中，CTCF 的全基因组影响尚未得到广泛研究。为了填补这些知识空白，来自苏州大学附属第一医院国家血液系统疾病临床医学研究中心、圣裘德儿童研究医院等机构的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Genome Biology》杂志上。

为了深入探究 CTCF 在红细胞生成中的作用机制，研究人员采用了一系列先进的实验技术。研究利用生长素诱导降解（AID）系统，构建了 CTCF^AID敲入的人红细胞系 HUDEP-2 和 HEL 细胞模型。通过整合转录组 RNA 测序（RNA-seq）、转座酶可及染色质测序（ATAC-seq）、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）和原位高通量染色体构象捕获（Hi-C）等多组学数据，全面分析了 CTCF 缺失对红细胞生成过程中基因表达、染色质可及性和基因组结构的影响。

研究结果表明，CTCF 对红细胞祖细胞的增殖和成熟不可或缺。利用构建的 CTCF^AID细胞模型，研究人员发现，CTCF 蛋白缺失 48 和 72 小时会显著抑制 HUDEP-2 和 HEL 细胞的生长，但 24 小时内对细胞生长无明显影响，且 24 小时内也未导致细胞显著凋亡 。在红细胞成熟过程中，CTCF 缺失抑制了细胞生长，增加了晚期红细胞成熟细胞表面标志物 BAND3 的水平，同时减少了血红蛋白化和增大了细胞体积。此外，CTCF 缺失还影响了成人和胎儿珠蛋白基因的表达，表明 CTCF 在正常红细胞增殖和成熟中起着关键作用。

CTCF 缺失导致红细胞祖细胞染色质可及性显著丧失。通过 ATAC-seq 分析，研究人员发现，CTCF 缺失后，HUDEP-2 和 HEL 细胞系中染色质可及性区域显著减少，且减少的区域主要位于增强子区域，与 CTCF 基序距离更近 。此外，CTCF 和 CTCF 样因子（CTCF_L）基序在减少的区域中显著富集，而一些参与红细胞生成和造血作用的主转录因子，如 GATA1/2、TAL1、MEIS1 和 NFY 等，则在增加的区域中显著富集。这表明 CTCF 在维持红细胞祖细胞染色质的适当可及性方面具有选择性作用。

CTCF 在红细胞基因激活中具有阶段依赖性。转录组分析显示，在红细胞成熟前后，CTCF 缺失导致的差异表达基因（DEGs）不同 。基因本体（GO）分析表明，红细胞生成相关途径，如含卟啉化合物生物合成和 2 - 氧戊二酸代谢过程，在 CTCF 缺失后表达下降的基因中富集；而补体受体介导的信号通路和细胞因子产生的负调控则在表达上升的基因中富集 。此外，研究还发现，超过一半的差异表达基因直接与 CTCF 结合，表明 CTCF 在人类红细胞生成的不同成熟阶段对不同基因子集的表达至关重要。

基于多组学整合分析确定 CTCF 靶基因。Hi-C 分析表明，CTCF 对维持拓扑相关结构域（TAD）内的 DNA 相互作用和界定 TAD 边界至关重要，但对更高阶的核区室完整性并非必需 。多组学整合分析发现，CTCF 缺失后染色质环的丢失与染色质可及性的丧失和基因转录的抑制密切相关。通过整合 ATAC-seq、RNA-seq 和 CTCF ChIP-seq 数据，研究人员确定了 CTCF 的直接靶基因，这些基因涉及氨基酸代谢、硫化合物代谢和糖蛋白生物合成等过程 。

CTCF 对 GATA1 介导的部分基因抑制也至关重要。研究发现，部分上调基因与 CTCF 缺失后 ATAC 峰减少相关，这些基因可能被 CTCF 抑制，暗示 CTCF 在抑制替代谱系基因方面的作用 。通过 ChIP-seq 分析，研究人员发现 CTCF 缺失影响了 GATA1 在基因组上的结合，导致部分 GATA1 结合区域减少，且这些区域主要位于远端调控区域 。此外，研究还验证了一些 GATA1 抑制的靶标，如 KIT 和 GATA2，发现 CTCF 通过远端染色质可及性区域抑制 GATA2 的表达。

综上所述，该研究通过构建新型 CTCF^AID细胞工具，全面解析了 CTCF 在人类红细胞生成中的作用机制。研究揭示了 CTCF 在维持染色质可及性和基因表达方面的关键作用，以及其在红细胞成熟过程中的阶段依赖性功能 。这些发现不仅拓展了我们对 CTCF 生物学功能的理解，也为红细胞生成相关疾病的研究提供了新的视角和潜在的治疗靶点。然而，研究也指出，虽然发现了 CTCF 在抑制 GATA2 表达中的作用，但要完全理解 TAD 边界的调控作用，还需要进一步研究破坏 TAD 上多个 CTCF 位点对 GATA2 和其他附近基因表达、染色质可及性和结构的影响 。未来，随着研究的深入，有望为血液发育相关疾病的治疗带来新的突破。