基因调控 | 北京大学清华大学联合团队在基因表达调控领域取得进展

染色质的三维结构被划分为不同的层次单位，包括染色质疆域、A/B区室、拓扑学相关结构域（TADs）、增强子-启动子环等。尽管相关研究已经进行了数十年，但是染色质结构的建立、维持和调控的分子机理仍然不完整。其中，染色质相关调控因子的发现是研究染色质三维结构调控机理的瓶颈之一。

2023年6月2日，北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心季雄课题组在Nucleic Acids Research杂志上在线发表了题为“Multiomic analysis of cohesin reveals that ZBTB transcription factors contribute to chromatin interactions”的研究论文，文中对染色质结构起着关键性调控作用的Cohesin蛋白复合体进行了蛋白质组学分析，并确定了与Cohesin复合体相关的转录因子、RNA结合蛋白和染色质调节因子。随后对蛋白质组结果进行验证和进一步研究，通过蛋白质瞬时降解系统，揭示了ZBTB转录因子蛋白家族可以调控Cohesin在染色质上的结合，并且可以调控三维染色质之间的相互作用和转录抑制，为研究染色质结构调控机理研究提供了新的线索。

由于Cohesin复合体在三维染色质结构调控中扮演着关键角色，因此研究者从这一点入手，首先使用小鼠胚胎干细胞（mESCs）、黑色素瘤细胞（B16）和B淋巴细胞（CH12F3）完成了Cohesin的染色质相关蛋白质组学研究，鉴定了Cohesin调控相关的转录因子、RNA结合蛋白和染色质调节因子等。其中，在近几年的报道的CTCF、WIZ、YY1等转录因子都被在质谱中鉴定到（图1）。因此，本研究中的Cohesin互作蛋白质组，在三种不同细胞中鉴定到的ZBTB21蛋白引起了关注，并推测其可能是一种新的染色质结构调控因子。于是，研究者选择了ZBTB21为进一步研究对象，利用蛋白瞬时降解系统对其进行短时长的体内蛋白质瞬时降解，完成了ChIP-seq、RNA-seq和Chromatin RNA-seq等相关实验。证明了ZBTB21的降解可以削弱Cohesin和其招募因子NIPBL在染色质上的结合，并且同时还检测出了其对转录调控的影响，发现了ZBTB21的转录抑制功能。

图1. 不同细胞类型的Cohesin相关蛋白质组鉴定到的一系列潜在调控因子

进一步，研究者利用本实验室前期开发的BAT Hi-C技术，检测了ZBTB21对于染色质高级结构的影响，发现ZBTB21被降解后染色质之间的相互作用可以增强，这一现象通过4C-seq也得到了进一步的验证。并且，在结构有变化的位置，Cohesin在染色质上的结合和Pol II在染色质上的结合也都有明显的变化，证明了ZBTB21对于转录抑制和染色质高级结构的调控作用（图2）。

图2. ZBTB21对于染色质高级结构的调控作用。

最后，由于哺乳动物ZBTB蛋白家族有四十个以上的成员，研究者推测除了ZBTB21以外的其他成员也可能参与类似的调控。于是，研究者再次利用蛋白质瞬时降解系统，降解了另一个ZBTB蛋白-ZBTB7B，发现其同样对Cohesin在染色质上的结合产生影响，并且在体内同时降解ZBTB21和ZBTB7B，这种影响作用会进一步加强。因此，本研究认为ZBTB蛋白可以调控Cohesin在染色质上的结合，并且可以对于染色质高级结构的调控做出贡献。因此，本研究为染色质结构研究提供了新的调控因子。

图3. ZBTB转录因子调控染色质高级结构的工作模型

近日季雄研究员受邀于Transcription杂志发表了题为“Never a dull enzyme, RNA polymerase II“的综述文章。RNA聚合酶II（Pol II）由12个亚基组成，在细胞核内合成mRNA。Pol II被广泛认为是被动的全酶，作为一个整体发挥功能，其亚基的分子功能很大程度上被忽略。季雄课题组利用生长素诱导的蛋白质瞬时降解标记（Auxin Inducible Degron, AID）技术和多组学分析揭示了Pol II的亚基对不同的转录和转录后过程有不同的贡献，从而实现了其功能的多样性。通过协调不同亚基来调节这些过程，Pol II可以优化其在不同生物功能上的活性（optimized polymerase, OPPO）。

该篇综述首先全面归纳了Pol II的12个亚基的非经典功能（图4），以及这些亚基突变和表达紊乱对疾病的影响（图5）。随后，文章回顾了季雄课题组近几年在Pol II亚基非经典功能、Pol II凝聚体以及RNA聚合酶I、II、III在染色质三维结构功能调控和RNA聚合酶交互调控关系和机制所取得的一系列研究进展。

图4. Pol II亚基的非经典功能总结

图5. Pol II亚基突变和表达紊乱与相关疾病的概览

图6. Pol II CTD, CTCF DBD体外凝聚体形成实验和定量方案

此外，该团队在STAR Protocols杂志发表了名为“Droplet formation assay for investigatingphase-separation mechanisms of RNA Pol II transcription and CTCF functioning”研究Pol II CTD、CTCF的DNA结合结构域在体外液滴形成的实验和定量分析方法（图6）。

来源：清华大学生科院

转自：“威斯腾生命科学研究院”微信公众号

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