*本研究所使用的靶向表觀基因組編輯技術(shù)由賽業(yè)生物提供

染色質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)會(huì)隨著細(xì)胞的生活周期而變化，對(duì)我們?nèi)梭w的健康和疾病發(fā)生產(chǎn)生重要的影響。近年來(lái)隨著新技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)折疊讓一些DNA片段彼此靠近并發(fā)生互作，他們將這樣的區(qū)域稱(chēng)為拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域TAD。大腦中TAD結(jié)構(gòu)與神經(jīng)精神疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)息息相關(guān)，但這一研究領(lǐng)域仍存在許多未解之謎。

來(lái)自西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院(ISMMS)的一組研究人員發(fā)表了題為“The methyltransferase SETDB1 regulates a large neuronspecific topological chromatin domain”的文章，通過(guò)細(xì)胞類(lèi)型特異性3D基因組圖譜，靶向表觀基因組編輯（由賽業(yè)生物提供）等技術(shù)手段，識(shí)別出了一種能幫助基因組免受CTCF過(guò)度結(jié)合的SETDB1依賴性“盾牌”，細(xì)胞如果丟失這個(gè)“盾牌”，就會(huì)窗戶下獨(dú)特的位點(diǎn)特異性表觀遺傳漏洞，導(dǎo)致兆級(jí)規(guī)模的高階染色質(zhì)崩塌（chromatin collapse）。

這一研究成果公布在Nature Genetics雜志上，由西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院精神病學(xué)家Schahram Akbarian領(lǐng)導(dǎo)完成。這位學(xué)者曾參與研究指出，在不同的大腦區(qū)域，甲基化的模式存在差異，這意味著表觀遺傳學(xué)因素參與了大腦功能的形成與劃分。這些甲基化模式在不同種族、年齡或性別的人群中都得到了證明。

TADs是什么？

人類(lèi)基因組包含大約20,000個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。令人驚訝的是，只有一毫米長(zhǎng)的秀麗隱桿線蟲(chóng)（C.elegans），擁有幾乎跟人類(lèi)相同數(shù)量的基因，但卻與人類(lèi)的生物復(fù)雜性不同。這是因?yàn)槿祟?lèi)能夠更好地發(fā)揮其遺傳潛力，首先通過(guò)修改基因產(chǎn)物，其次通過(guò)使用具有不同功能的相同基因。延伸閱讀：PLOS：線蟲(chóng)發(fā)育時(shí)序的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。

這需要高度的調(diào)控，因?yàn)樯眢w的每個(gè)細(xì)胞都含有相同的遺傳信息�？茖W(xué)家估計(jì)，人類(lèi)基因組中大約有40%致力于基因調(diào)控。然而，目前尚不清楚它是如何確�！澳膫�(gè)調(diào)控因子影響——或不影響哪個(gè)基因”。TADs——拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域，在這方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用：TAD是DNA片段，在其中DNA形成了包含組蛋白、調(diào)節(jié)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子的大型三維結(jié)構(gòu)。每個(gè)TAD包含一個(gè)或多個(gè)基因連同其所有的調(diào)控元件。它們的結(jié)構(gòu)在進(jìn)化上是保守的，可能存在于不同的細(xì)胞類(lèi)型以及各種物種中。哺乳動(dòng)物基因組在細(xì)胞核中形成了許多megabase級(jí)的拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域TAD。破壞TAD會(huì)影響長(zhǎng)距離基因調(diào)控，引起致病性的表型。舉例來(lái)說(shuō)，破壞TAD結(jié)構(gòu)的DNA刪除、倒置或者重復(fù)能夠?qū)е氯祟?lèi)肢體畸形。

研究表明，大腦中也存在TAD結(jié)構(gòu)，并且神經(jīng)精神疾病風(fēng)險(xiǎn)的全基因組關(guān)聯(lián)研究表明TAD與大腦相關(guān)疾病存在一定的關(guān)聯(lián)，但是具體的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。

在這篇文章中，研究人員發(fā)現(xiàn)一組superTADs亞集的神經(jīng)元維護(hù)需要SETDB1（也被稱(chēng)為ESET或KMT1E），這是一種組蛋白H3 Lys9甲基轉(zhuǎn)移酶。研究表明Setdb1（Kmt1e）能廣泛調(diào)控干細(xì)胞中的逆向元件抑制（retroelement suppression）和轉(zhuǎn)錄沉默。研究人員通過(guò)細(xì)胞類(lèi)型特異性3D基因組圖譜，靶向表觀基因組編輯等技術(shù)手段，識(shí)別出了一種能幫助基因組免受CTCF過(guò)度結(jié)合的SETDB1依賴性“盾牌”，細(xì)胞如果丟失這個(gè)“盾牌”，就會(huì)窗戶下獨(dú)特的位點(diǎn)特異性表觀遺傳漏洞，導(dǎo)致兆級(jí)規(guī)模的高階染色質(zhì)崩塌（chromatin collapse）。

靶向表觀基因組編輯

研究人員為了了解SETDB1的甲基化水平對(duì)CTCF結(jié)合位點(diǎn)的影響，通過(guò)靶向表觀基因組編輯分析了cPcdh位點(diǎn)，他們采用的是一個(gè)叫做SunTag的技術(shù)。SunTag實(shí)質(zhì)上是一套分子掛鉤，其能夠?qū)⒍鄠�(gè)拷貝的生物活性分子掛到可用來(lái)靶向一些基因或其他的分子的蛋白質(zhì)支架上。相比于沒(méi)有這些掛鉤的組裝分子，整合了SunTag的分子生物活性顯著放大。

整合了SunTag的CRISPR分子可用于精確地控制基因組內(nèi)大量基因的表達(dá)，研究人員利用這一技術(shù)發(fā)現(xiàn)SETDB1依賴的環(huán)結(jié)構(gòu)可以繞過(guò)0.2-1 Mb線性基因組，并從TADcPcdh條紋輻射到cPcdh基因座內(nèi)的順式調(diào)控序列，抵消較短范圍的啟動(dòng)子-增強(qiáng)子接觸造成的影響。

研究表明SETDB1抑制復(fù)合物包含了多個(gè)KRAB鋅指蛋白，能保護(hù)神經(jīng)元基因組免受過(guò)量CTCF結(jié)合的影響，并且對(duì)于TADcPcdh的結(jié)構(gòu)維持至關(guān)重要。

下一步，研究人員將分析神經(jīng)元中Setdb1的過(guò)量表達(dá)，以及其它的cPcdh基因表達(dá)的調(diào)控蛋白的丟失是否會(huì)啟動(dòng)神經(jīng)元中的TAD特異性3D基因組改變。

我們?nèi)梭w的每個(gè)染色體都有數(shù)以百計(jì)的TAD結(jié)構(gòu)，分析“TAD通過(guò)TAD”，以及通過(guò)細(xì)胞類(lèi)型特異性方式揭示腦細(xì)胞中高階染色質(zhì)的調(diào)控機(jī)制，是一項(xiàng)令人興奮，且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

原文標(biāo)題：

The methyltransferase SETDB1 regulates a large neuronspecific topological chromatin domain.Received 3 February;accepted 5 June;published online 3 July 2017;doi:10.1038/ng.3906