姚红杰团队揭示CTCF在急性降解体系中以染色质环非依赖方式 主导基因表达调控

CTCF是维持染色质三维基因组结构的关键蛋白，其主要通过与Cohesin复合物互作形成染色质环（CTCF loop），进而调控增强子-启动子互作（EP互作）和基因表达。然而，近年来多项研究发现快速降解CTCF对EP互作和基因表达的影响较弱（Nora et al., 2017; Hsieh et al., 2022），这一“功能悖论”的结果表明CTCF对基因表达的调控机制仍不清楚。

近日，广州实验室姚红杰研究团队在Protein & Cell上发表了题为CTCF’s loop-independent functions prevail over chromatin looping in the acute degradation system的研究论文。该研究发现CTCF可促进染色质重塑复合物CHD4/CHD8在染色质上的结合，进而促进CTCF结合位点处的染色质开放，并揭示CTCF的环非依赖功能在调控基因表达方面远强于其介导染色质环的功能，为理解CTCF调控基因表达提供了新见解。

为系统解析CTCF调控基因表达的机制，研究团队首先在CTCF蛋白降解体系中鉴定差异表达基因，发现大多数下调基因的启动子区存在CTCF结合，符合CTCF介导EP互作促进基因表达的经典调控模型。然而，研究团队揭示CTCF不依赖其染色质环功能促进这些下调基因的表达。机制解析发现CTCF可选择性稳定染色质重塑因子CHD4和CHD8在基因组上的结合，促进CTCF结合位点处的染色质开放；而且CTCF发挥促进基因表达作用主要结合在基因转录起始位点上游60 bp左右。这一发现与先前报道结果一致（Nora et al., 2017），揭示CTCF促进基因表达还具有明确的位置效应。

为明确CTCF介导染色质环的功能，研究团队利用MNase对传统HiChIP方法进行优化，可高效捕获CTCF loop、EP互作及其变化。结果显示：（1）在小鼠胚胎干细胞中，全基因组约4200个基因启动子可介导显著的EP/PP互作；（2）尽管CTCF loop被广泛报道可促进或抑制EP互作，本研究显示CTCF降解仅导致少于2%的EP/PP互作显著上调或下调。深入分析发现CTCF结合在EP/PP互作的锚点位置才能显著促进相同方向EP/PP互作，但符合此条件的EP/PP互作较少；多数EP/PP互作同时受到多个具有促进或抑制功能的CTCF loop所调控，CTCF loop的促进与抑制功能可以相互抵消，导致CTCF loop对EP/PP互作的调控减弱；（3）大多变化的EP/PP互作并未导致显著的基因表达变化。因此，受CTCF loop调控的基因较少。

总之，这项研究揭示了CTCF通过稳定染色质重塑复合物CHD4/CHD8在基因组上的结合并促进局部染色质可及性和基因表达，同时发现CTCF环非依赖的基因表达调控功能远强于其介导染色质环的调控功能。这一研究突破了CTCF以介导染色质环调控基因表达为主的传统功能模式，深化了对CTCF多功能性的理解。该研究还阐明了CTCF loop对EP/PP互作的具体调控方式，并提供了高分辨率的染色质互作检测新方法，为深入解析三维基因组动态变化提供了强有力的理论证据和技术支持。