人类基因组在细胞核的三维（3D）空间中被折叠产生大尺度的分区（compartment），其中蛋白质因子介导单个染色质环的形成^1,2。染色质环作为染色体折叠的基本单位，在定义染色体的空间架构和功能方面起核心作用。环状粘连蛋白复合物（Cohesin）通过挤出DNA形成染色质环，而这个过程会被结合于特定DNA位点上的锌指蛋白CTCF阻断，从而通过一对相向的（convergent）CTCF结合位点来确定染色质环边界^3,4。染色体结构维持复合物Cohesin在染色质环的形成中起关键作用，尽管应用基因组学及高分辨率电子显微镜在揭示染色质环的形成问题上已经取得了很大的进展，但其在基因转录调控中的确切功能仍存在争议。造成以上争议的主要原因有：首先，以往多数研究集中于少数基因位点，缺乏全基因组层面的系统分析。其次，Hi-C和Micro-C等高通量测序技术存在分辨率和特异性限制，无法高精度解读特定蛋白介导的染色质环结构，并且缺乏能够同时捕获转录因子结合与染色质拓扑结构的整合方法，从而导致实验结果中染色质结构变化与转录变化之间的因果关系长期未被定量化验证。

近日，由浙江大学生命科学院阮一骏团队与中科院动物研究所郑瑚团队在Nature Structural &Molecular Biology杂志发表了题为：Interplay between Cohesin and RNA Polymerase II in regulating chromatin interactions and gene transcription的研究文章，利用特异性富集Cohesin的单分子染色质交互图谱检测技术（ChIA-Drop⁵），探究Cohesin在与RNAPII的协同行动中参与建立人类基因组转录过程中的染色质多重交互结构的作用。

利用测序和单分子成像方法对细胞内染色质环结构的形成研究存在各种不同的理论争议。本研究利用单分子染色质多重相互作用图谱（ChIA-Drop）结合染色质免疫沉淀（ChIP）和实时活细胞成像等技术，系统揭示了Cohesin与RNA聚合酶Ⅱ（RNAPII）在染色质折叠及基因转录中的协同机制。作者首先在GM12878细胞中分别富集了单分子层面上CTCF、Cohesin 和 RNAPII介导的染色质交互作用复合物，发现大多数为双点互作（>80%），少部分为三点以上的多重互作；Cohesin不仅定位于 CTCF位点，也活跃于转录区域，证实这三种因子在细胞中共同介导多层次的DNA 环结构，揭示了单分子尺度下染色质的复杂折叠机制。通过比较和分析RNAPII与Cohesin ChIA-Drop/ChIA-PET数据，作者确定了1,706个由两个蛋白共同介导的染色质复合物，并提供直接证据说明Cohesin与RNAPII互相关联，Cohesin 协助 RNAPII 将多个调控元件和基因启动子连接，可能参与调控协同转录过程。作者进一步比较了转录起始位点（TSS）、CTCF结合方向与RNAPII/Cohesin染色质环的方向，揭示了 RNAPII 在转录过程中可能“推动” Cohesin沿转录方向运动。另外，通过整合ChIA-Drop技术提供的独特单分子染色质数据及超级增强子(SE)注释信息，作者发现Cohesin与RNAPII在SE内及SE–启动子之间表现出高度相似的信号，且SE内各增强子独立发挥作用而非整体耦合。

接下来，作者进一步分析了染色质结构改变与转录调控的关系。通过快速降解Cohesin亚基RAD21并利用富集RNAPII的原位 ChIA-PET 检测转录环变化，结果表明Cohesin 参与所有转录环的建立，但只在维持远程（>100 kb）增强子–启动子互作时必需，而短程（<50 kb）启动子–启动子互作则由RNAPII介导，并不依赖于Cohesin，从而维持管家（housekeeping）基因的稳定表达。此外，RAD21缺失导致早期复制区域信号增强，上调基因富集于DNA复制与细胞周期相关的信号通路，揭示了Cohesin与DNA的复制调控及转录协调的偶联。综上，本研究通过单分子多点互作分析，系统建立了 “Cohesin–RNAPII 协同的染色质拓扑调控模型”，阐明了染色质环在结构层次、转录调控和细胞类型特异性之间的内在联系，为理解基因组三维结构如何精准控制基因表达及细胞命运提供了关键的实验证据与理论框架。

 

参考文献:

1.    Lieberman-Aiden, E. et al. Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome. Science 326, 289–293 (2009).

2.    Dixon, J. R. et al. Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions. Nature 485, 376–380 (2012).

3.    Rao, S. S. P. et al. A 3D Map of the Human Genome at Kilobase Resolution Reveals Principles of Chromatin Looping. Cell 159, 1665–1680 (2014).

4.    Tang, Z. et al. CTCF-Mediated Human 3D Genome Architecture Reveals Chromatin Topology for Transcription. Cell 163, 1611–1627 (2015).

5.    Zheng, M. et al. Multiplex chromatin interactions with single-molecule precision. Nature 566, 558–562 (2019).