2021年05月27日
哺乳動物基因組DNA全長近2 m，經(jīng)過多層有序組織與折疊后分布于直徑5-10 μm的細胞核中【1】。染色質高級結構對基因表達，細胞分化和胚胎發(fā)育起著至關重要的作用【2,3】。其中，基因組A/B區(qū)隔化（A/B compartments）組織形式從纖毛蟲（ciliates）到人具有保守性，表明基因組內存在物種間高度保守的驅動力【4】。
回歸基因組構成的本質，蛋白編碼區(qū)域只有不到2%，重復序列卻構成了人（Homo sapiens）和小鼠（Mus musculus）超過一半的基因組【5,6】，預示著基因組重復序列很有可能對染色質高級結構具有重要意義。LINE是人和小鼠基因組中豐度較高的一類逆轉錄轉座原件，分別占據(jù)人和小鼠基因組的17%和19%【7】，主要包含了L1（又稱LINE1，LINE-1），L2和L3等類別，基因組中有超過500,000個L1的拷貝【8】。
2020年初，清華大學醫(yī)學院的沈曉驊教授團隊對L1、B1/Alu等重復序列的功能做了前期探究【9,10】。對人和小鼠基因組中重復序列在的分布、對基因的表達調控以及對染色質高級結構的影響等方面積累了一些實驗成果（詳見BioArt報道：Cell Reports | 沈曉驊團隊揭示重復序列對宿主基因組結構和功能的調控作用）。
但是，重復序列如何在調節(jié)染色質高級結構方面發(fā)揮作用？重復序列是在哪個層面上影響染色質高級結構的？其中具體的分子機制還不明確。
近日，來自清華大學的沈曉驊教授與北京大學的孫育杰教授團隊合作在Cell Research 雜志發(fā)表一篇題為 Homotypic clustering of L1 and B1/Alu repeats compartmentalizes the 3D genome 的文章，對基因組重復序列如何影響細胞核區(qū)隔化提供了進一步分子依據(jù)。
在這項研究中，研究人員首先通過系統(tǒng)的生物信息學分析發(fā)現(xiàn)，B1/Alu和L1重復序列在細胞核中傾向于與同類別DNA序列聚集分布，這種聚集特性與Hi-C推測的A/B compartments高度吻合。進一步的DNA FISH結果表明，L1聚集分布在核膜與核仁周圍的異染色質區(qū)域，B1/Alu重復序列聚集分布于常染色質所在的細胞核質區(qū)域。這種差異性分布模式在mESC，NSC，NIH3T3，C2C12和HeLa細胞中高度保守，并在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中逐漸建立，在細胞周期進程中也存在動態(tài)變化過程。
接著，研究人員利用反義核苷酸技術AMO（antisense morpholino）對mESC中L1轉錄本進行抑制，DNA FISH結果發(fā)現(xiàn)L1-rich和B1-rich的基因組區(qū)域在細胞核中的定位以及相互分離程度均受到嚴重影響。Hi-C數(shù)據(jù)表明AMO抑制L1 RNA會導致compartment A-A、B-B互作減弱，A-B互作增加即compartment strength [(AA+BB)/AB]降低，最終并導致染色質高級結構的改變。
最后，研究人員利用生物化學手段發(fā)現(xiàn)L1 DNA和RNA均能與異染色質相關蛋白HP1α發(fā)生直接相互作用，并促進HP1α蛋白在體外發(fā)生液液相分離，為理解L1如何參與調控異染色質的建立提供了可能分子依據(jù)。值得注意的是，L1與HP1α的相互作用和相分離現(xiàn)象并不具有序列特異性，研究人員推測兩者共同的異染色質區(qū)域定位可能發(fā)揮著重要作用。
總的來說，這項研究綜合利用生物信息分析、熒光標記顯微成像、體外相分離體系重構等方法揭示了基因組重復序列L1和B1/Alu在compartments層面上組織染色質高級結構形成的分子機制，為深入理解小鼠和人之間高度保守的染色質區(qū)隔化結構提供了重要依據(jù)。該研究還提出了一個染色質高級結構的遺傳編碼機制：相同類型的重復序列相互聚集（Homotypic clustering），不同類型的重復序列相互排斥（Heterotypic segregation），這種基因組重復序列的作用模式作為先決條件奠定了染色質高級結構形成的基礎；其次，重復序列以及其轉錄本的結合蛋白進一步調控了染色質高級結構的建立；與此同時，細胞核內無膜包被的液液相分離小體為染色質高級結構的建立提供了另外一個層面的相互作用平臺。
據(jù)悉，清華大學沈曉驊教授與北京大學孫育杰教授為本文的共同通訊作者，清華大學盧金龍博士、北京大學常蕾博士、清華大學李同博士為本文的共同第一作者。清華大學尹亞飛博士（現(xiàn)為浙江大學獨立PI）、韓雪博士和博士生王婷、戰(zhàn)戈、張珂、陶宜冰等對本文做出了重要貢獻。同時，該研究還得到了清華大學李丕龍、頡偉、那潔課題組、中科院生物物理研究所朱冰課題組和多倫多大學Miguel Ramalho-Santos課題組的大力支持。
孫育杰教授實驗室的主要方向是開創(chuàng)、發(fā)展和應用單分子技術，包括超高分辨率單分子熒光成像技術、單分子操作及力學測量技術，以在單分子水平上研究亞細胞動態(tài)過程、精細結構與功能（Protein & Cell | 孫育杰/李程合作揭示核纖層蛋白對人源細胞中染色質高級結構及染色質運動狀態(tài)的調控）。
沈曉驊教授實驗室主要以多能干細胞為模型，探索非編碼基因組調控染色質結構和基因表達的新機制。包括從系統(tǒng)和分子水平上研究非編碼RNA、基因組重復序列和RNA結合蛋白，影響轉錄和染色質高級結構的新模式；從獨特的視角來揭示干細胞多能性和細胞命運決定的普適性規(guī)律。
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