活性调控元件通过招募黏连蛋白建立细胞特异性染色质域

本期推荐：牛津大学团队通过多组学技术揭示增强子通过招募黏连蛋白（cohesin）介导环挤压（loop extrusion）形成细胞特异性亚拓扑关联域（sub-TAD）的分子机制。研究利用α-珠蛋白基因簇模型，结合自然变异分析和基因编辑技术，首次证实单个增强子即可在基因组"中性"区域建立功能性染色质结构域，为理解三维基因组动态调控提供新范式。

　　

在生命活动的精密调控中，基因组三维结构的动态变化一直是分子生物学领域的核心谜题。尽管科学家们早已发现不同细胞类型中染色质的空间组织存在显著差异，但驱动这种细胞特异性结构形成的分子机制仍不明确。近年来，黏连蛋白（cohesin）介导的环挤压（loop extrusion）机制被证明在拓扑关联域（TAD）形成中起关键作用，但关于细胞特异性亚结构域（sub-TAD）如何建立的分子细节仍存在重大知识空白。特别值得注意的是，活跃的调控元件（如增强子）与黏连蛋白的招募是否存在因果关系，以及单个调控元件是否足以重塑局部染色质结构，这些问题对理解发育和疾病中的基因调控至关重要。

针对这些科学问题，英国牛津大学Weatherall分子医学研究所的Emily Georgiades、Caroline Harrold等研究人员在《Scientific Reports》发表重要研究成果。研究团队创新性地采用三重证据链：首先通过人群自然变异分析揭示增强子活性与黏连蛋白招募的正相关性；随后利用α-珠蛋白超级增强子（SE）的基因编辑模型，证明增强子缺失导致局部黏连蛋白驻留和亚结构域形成的显著减少；最终通过将R2增强子定点插入基因组"中性"区域，首次证实单个增强子足以建立全新的功能性染色质域。这项研究不仅阐明了活性调控元件通过黏连蛋白塑造三维基因组的分子途径，更为理解遗传变异如何通过改变染色质结构影响基因表达提供了理论框架。

研究团队运用多项关键技术：1）对牛津生物库3名捐赠者的CD34⁺造血干细胞进行ATAC-seq、组蛋白修饰（H3K4me1/H3K27ac/H3K4me3）和RAD21（黏连蛋白亚基）ChIP-seq；2）利用CRISPR-Cas9构建α-珠蛋白超级增强子敲除（SE KO）和仅保留R2增强子（R2-only）的小鼠模型；3）在胚胎干细胞中将325bp的R2增强子定点插入X染色体"中性"区域（chrX:11,224,970-11,335,361）；4）采用Tiled-C和Capture-C技术解析三维基因组结构；5）通过链特异性poly(A)⁺/poly(A)^- RNA-seq检测新生转录本。所有高通量数据分析均采用自主开发的REgulamentary流程和CATCH-UP标准化流程。

在"黏连蛋白与活性增强子共定位"部分，研究人员通过对自然变异个体的等位基因偏斜分析发现，51个多态性增强子位点的RAD21信号强度与增强子活性呈显著正相关（p<0.05）。典型案例如chr5:177,367,955-177,373,964区域，纯合参考型个体显示完整的ATAC-seq和RAD21信号，杂合个体信号减半，而纯合变异型个体则完全缺失。全基因组等位偏斜分析进一步证实，增强子类元件（H3K4me1⁺/H3K27ac⁺）的RAD21相关性显著高于启动子类元件（H3K4me3⁺）。

"α-珠蛋白超级增强子作为可调控模型"章节揭示了关键实验证据。在野生型红系细胞中，α-珠蛋白基因簇（chr11:32.15-32.26Mb）的五个增强子（R1-R4/Rm）均显示RAD21富集，而SE KO模型中这些峰完全消失。定量分析显示，WT细胞中两个CTCF位点（HS-39和02）间的黏连蛋白覆盖率是外围区域的6倍，而SE KO和R2-only模型该比例降至1:1。Tiled-C分析证实，完整超级增强子缺失导致65kb红系特异性sub-TAD的相互作用频率显著降低。

最引人注目的发现来自"R2增强子在基因组中性区域形成调控域"的实验。将R2增强子插入X染色体"中性"区域后，红系分化诱导产生以下变化：1）以插入位点为中心出现75kb的连续开放染色质区；2）新生非多聚腺苷酸化RNA转录本贯穿整个区域；3）形成新的黏连蛋白富集峰（间隔71kb和182kb）；4）Capture-C检测到75kb的相互作用域。值得注意的是，插入的R2元件意外获得启动子特征（H3K4me3⁺），而其激活的下游区域则呈现典型增强子标记（H3K4me1⁺/H3K27ac⁺）。

在讨论部分，作者提出三重创新理论：首先，活性增强子通过直接或间接方式（可能经由NIPBL-MAU2复合物）招募黏连蛋白，启动环挤压过程；其次，增强子数量和质量共同决定局部黏连蛋白的驻留密度和染色质相互作用强度；最后，基因组"中性"区域实际蕴含低水平调控潜能（表现为基础H3K4me1信号），强增强子的插入可协同激活这些隐伏元件。这些发现不仅解释了红细胞分化中α-珠蛋白基因的精确时空调控机制，更为理解孟德尔血液病（如α-地中海贫血）的发病机理提供了新视角。研究建立的"增强子-黏连蛋白-三维结构"调控轴，为未来开发靶向染色质结构的基因治疗策略奠定了理论基础。