Genome Biology丨孙育杰课题组超分辨成像解析Cohesin复合体在三维基因组构建中的分子机制

2023-07-09 12:07

哺乳动物细胞间期核内基因组呈现高度有序的层级结构。2 m长的DNA经过不断压缩折叠储存在细胞核中并依次形成不同尺度的结构域：核小体、染色质纤维、染色质环、拓扑相关结构域（topologically associating domains, TADs）、区室（compartments）和染色体领地（chromosome territory），其中每一个层级结构都蕴含了丰富的DNA互作网络，共同实现细胞生命历程中的调控。基因组层级结构的形成与维持受到多种蛋白因子的调控，如架构蛋白、转录因子和非编码 RNA等。其中部分染色质环的形成依赖于CTCF、cohesin和装载复合物NIPBL-MAU2等架构蛋白，cohesin通过“环挤出（Loop extrusion）”的方式使染色质环逐渐增大，最终形成较为稳定的局部互作结构域，而 CTCF和cohesin结合在其基部。然而，cohesin和 NIPBL 协同促进染色质挤出的具体机制尚不明确。

2023年6月28日，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、未来技术学院国家生物医学成像科学中心（NBIC），膜生物学国家重点实验室孙育杰课题组在Genome Biology杂志发表了题为Rad21 is the core subunit of the cohesin complex involved in directing genome organization的研究论文（图1），在这项研究中，作者使用超高分辨率显微镜成像技术揭示了cohesin复合物的RAD21亚基在cohesin装载和染色质结构调控中的独特作用。

图1 论文截图

本研究中，作者首先观察到RAD21的过表达导致染色质环被过度挤出，在细胞核中形成“意大利面”样的分布，而RAD21蛋白自身会聚集成簇（图2）。进一步研究发现，过度装载在染色质上的cohesin蛋白会形成“蝴蝶结”样结构并绑住TAD（图3），最终形成“念珠”状分布，而其他四种cohesin亚基的过表达却在细胞核内呈现均匀分布。

图2 在HeLa细胞中过表达RAD21亚基后在细胞核内形成的“意大利面”样结构

利用RAD21与装载复合物NIPBL-MAU2的互作突变体RAD21-LIS，生化实验及细胞成像实验证实了该互作的重要性，这种互作促进了cohesin在染色质上的大量装载，最终形成“意大利面”样分布。

图3 RAD21过表达后RAD21和EMC7 TAD的超高分辨显微成像

此外，本文通过分析Hi-C数据，对比了RAD21上调后和先前研究报道的同样能够造成染色质“意大利面”样分布的WAPL蛋白缺失对染色质不同层级结构（全基因组范围、染色质区室和TADs）的影响异同，以进一步解释RAD21在染色质结构方面的作用机制（图4）(Haarhuis et al., 2017; Wutz et al., 2017)。作者发现“意大利面”样分布形成后，在TAD的边角处积累了大量的互作信号，同时TAD之间的相互作用明显增加。但是，RAD21的上调对TADs的长度和数目并没有显著影响，并且TAD之间的边界的绝缘程度也没有显著改变，这一现象与WAPL缺失带来的结果不同。作者推测可能是RAD21的上调使得不同TADs被更加稳定地分隔，因此TADs长度、数目以及绝缘系数并未受到显著影响。这可能是其作用机制区别与WAPL，有待于进一步研究。

图4 Hi-C数据分析RAD21上调对染色质不同层级结构的影响

最后，结合临床数据和细胞实验，作者发现在乳腺癌病例中患者生存率的降低与RAD21的异常表达十分相关，而在乳腺癌细胞系中的免疫荧光成像表明，内源的RAD21呈现出与过表达RAD21的HeLa细胞中类似的簇状分布。结合RNA-seq和Hi-C分析，作者发现HeLa细胞中RAD21上调表达后会导致染色质compartment切换及癌症相关基因的显著上调，而这种基因组结构的异常可能会导致乳腺癌肿瘤的发生。

综上所述，本研究深入研究了RAD21亚基促进cohesin装载过程的分子机制，同时提出了cohesin和装载复合物如何协同配合并促进染色质挤出的模型（图5），该模型对细胞内部三维基因组结构的构建具有重要的意义，此外本研究描述染色质状态与癌症病因之间的重要关系，为临床治疗的靶点信息提供了重要参考。