Nature：揭示黏连蛋白、CTCF和DNA张力在染色体空间组装中的作用

在一项新的研究中，来自荷兰代尔夫特理工大学和奥地利维也纳生物中心的研究人员发现在我们的细胞核中，两种蛋白复合物承担着染色体空间组装的主要责任，而DNA张力在其中起着令人惊讶的作用。相关研究结果于2023年4月19日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“CTCF is a DNA-tension-dependent barrier to cohesin-mediated loop extrusion”。论文通讯作者为代尔夫特理工大学的Cees Dekker博士和维也纳生物中心的Jan-Michael Peters博士。

黏连蛋白（cohesin）让DNA成环

一个多世纪以来，人们已经知道细胞核中的DNA长链被整齐地折叠成染色体的特有形状，就像瓶刷一样，为细胞分裂做准备。在细胞分裂之间，染色体经组装后形成DNA环（loop），这些DNA环对调节遗传信息的加工很重要。

2018年，Dekker和他的团队首次将诸如凝缩蛋白（condensin）和黏连蛋白之类的SMC蛋白复合物如何挤压DNA形成DNA环进行可视化观察（Science, 2018, doi:10.1126/science.aar7831）。

CTCF具有方向性，并确定DNA环开始和结束的位置

DNA结合蛋白CTCF被发现在基因组的DNA环定位中起着关键作用。Dekker指出，“如果你把DNA想象成一条绳子，CTCF好比旗帜一样被固定在两个位点上，黏连蛋白从一个旗帜到另一个旗帜制造DNA环，但前提是CTCF的定位正确。只有CTCF蛋白的一侧能够与黏连蛋白相互作用。然后，它并不总是这样做，因为我们认为CTCF也会经常失败。但是如今我们对此进行了测量。这两种蛋白之间的相互作用原来比我们预测的要微妙得多。”

CTCF是一种方向和张力依赖性的屏障，可阻止黏连蛋白介导的DNA环挤压。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05961-5。

论文共同第一作者、代尔夫特理工大学的博士生Roman Barth说，CTCF和黏连蛋白一起工作以确定DNA环的边界已经成为该领域的基本知识。“在过去一年中，我参加的每一个会议演讲中，基本的前提是黏连蛋白复合物在正确定位的CTCF分子之间挤压DNA形成DNA环。但是从来没有人详细地观察到这一点是如何发生的。我们如今能够直观地观察到这一点的本质。”

DNA张力发挥了令人惊讶的作用

在这项新的研究中，Peters及其研究团队成功地让这些蛋白以纯的形式出现。DNA分子的两端被连接到一个表面；DNA和这两种蛋白用荧光染料进行染色。他们随后获得了一个不寻常的发现。

Dekker说，“在这些数据中，Barth发现DNA链是非常松散还是处于张力状态是有区别的。在没有张力的情况下，黏连蛋白经常忽略CTCF旗帜，即使CTCF定位正确，也是如此，但是当DNA处于更多的张力下时，CTCF充当了一个完美的屏障。因此，在DNA张力的影响下，CTCF就像一个智能交通灯，根据当地的交通情况，允许黏连蛋白通过或不通过。”

当黏连蛋白与CTCF蛋白发生碰撞时，它可以停止或继续。这些作者观察到，它也可以转身，甚至完全溶解。如何以及为何会发生这种情况是Dekker团队希望回答的下一个问题。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Iain F. Davidson et al. CTCF is a DNA-tension-dependent barrier to cohesin-mediated loop extrusion. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05961-5.