上海交大吴强课题组揭示ZNF143架构三维基因组的机制

人类长约2米的线性基因组DNA在细胞核内高度折叠压缩约30万倍，它在如此紧致的三维空间内如何有序排布并发挥各种各样的生理功能一直是基因组研究的难点。近十年来三维基因组研究蓬勃发展，成为生物医学领域研究的热点。基因组DNA受粘连蛋白复合物Cohesin挤压成环，形成拓扑相关结构域、染色质区室和染色体领地等复杂的高级结构，这些高级结构异常将导致畸形、肿瘤等疾病发生。早在2012年课题组就发现CTCF/Cohesin介导的染色质环化决定了原钙粘蛋白启动子的特异性选择（PNAS，2012）。2015年又进一步发现CTCF在一维基因组中结合的位置和方向决定着染色质环化方式，即正向与反向的CTCF结合位点在立体空间上相互靠近形成染色质环（Cell，2015），因此CTCF在三维基因组架构和基因表达调控中起到重要作用（GB，2020；NC，2023），然而CTCF如何介导染色质成环形成复杂的三维基因组结构仍不清楚。

2024年1月10日，上海交通大学系统生物医学研究院比较生物医学中心在Cell子刊Cell Reports上发表了题为“ZNF143 deletion alters enhancer/promoter looping and CTCF/cohesin geometry”的研究论文，揭示了转录因子ZNF143蛋白在三维基因组架构中的作用和机制。该论文发现ZNF143可被CTCF招募到基因组上调节CTCF/Cohesin互作构象和TAD形成，还利用自身特有的七个锌指结构域方向性结合在染色质DNA上，直接参与染色质环化，调控基因的表达。

图1 ZNF143调控三维基因组架构机制示意图

该工作首先描绘了ZNF143、CTCF和Cohesin在人类基因组的精确分布图谱，发现一部分ZNF143总是共定位于CTCF结合位点处，介于CTCF和Cohesin之间。为了确定CTCF和ZNF143的依赖关系，该课题组建立了快速降解系统以靶向降解CTCF，发现CTCF被降解后位于CTCF结合位点处的ZNF143蛋白消失，证明这一类ZNF143是被CTCF募集到染色体的。当用遗传学方法敲除ZNF143基因后，共定位于CTCF位点的Cohesin进一步向CTCF蛋白靠近，三维基因组构象发生变化，表明这些共定位于CTCF/Cohesin位点的ZNF143稳定着CTCF和Cohesin之间的互作构型，防止Cohesin的异常滑动。

图2 ZNF143被CTCF招募至基因组CTCF位点稳定CTCF/Cohesin构象

其次描绘了ZNF143介导的全基因组染色质互作图谱，发现ZNF143还在其基因组位点之间建立远程互作，直接形成染色质环，这种染色质环不依赖CTCF和Cohesin的结合。ZNF143通过这种互作在一系列启动子/增强子间建立空间连接来调控基因的表达。利用快速降解系统降解CTCF后，ZNF143位点能够跨越CTCF位点与更远距离的ZNF143位点形成异常大的染色质环。利用快速降解系统降解RAD21后，ZNF143介导的染色质环遭到破坏，表明ZNF143介导的环化过程也需要Cohesin的帮助。

图3 ZNF143在其基因组结合位点间直接建立染色质环，调控基因表达

最后，通过同时降解CTCF和敲除ZNF143，发现ZNF143和CTCF协同调控着三维基因组结构，ZNF143能够以CTCF依赖或不依赖的方式形成染色质环。敲除ZNF143会改变染色质区室化结构，而快速降解CTCF不影响染色质区室化。

图4 ZNF143和CTCF协同调控三维基因组的染色质高级结构

该研究全面解析了ZNF143在染色质三维结构和基因转录调控中的作用，为其它转录因子或反式调控因子在三维基因组架构中的研究提供新的方法和思路。该研究得到国家自然科学基金委员会、科技部和上海市科委的资助。上海交通大学系统生物医学研究院吴强教授为通讯作者，博士生张默、副研究员黄海燕为共同第一作者，助理研究员李经纬参与了研究。

论文链接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(23)01674-1