染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)被劃分為不同的層次單位，包括染色質(zhì)疆域、A/B區(qū)室、拓撲學(xué)相關(guān)結(jié)構(gòu)域（TADs）、增強子-啟動子環(huán)等。盡管相關(guān)研究已經(jīng)進行了數(shù)十年，但是染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的建立、維持和調(diào)控的分子機理仍然不完整。其中，染色質(zhì)相關(guān)調(diào)控因子的發(fā)現(xiàn)是研究染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)調(diào)控機理的瓶頸之一。

2023年6月2日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心季雄課題組在Nucleic Acids Research雜志上在線發(fā)表了題為“Multiomic analysis of cohesin reveals that ZBTB transcription factors contribute to chromatin interactions”的研究論文，文中對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵性調(diào)控作用的Cohesin蛋白復(fù)合體進行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析，并確定了與Cohesin復(fù)合體相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、RNA結(jié)合蛋白和染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子。隨后，論文對蛋白質(zhì)組結(jié)果進行驗證和進一步研究，通過蛋白質(zhì)瞬時降解系統(tǒng)，揭示了ZBTB轉(zhuǎn)錄因子蛋白家族可以調(diào)控Cohesin在染色質(zhì)上的結(jié)合，并且可以調(diào)控三維染色質(zhì)之間的相互作用和轉(zhuǎn)錄抑制，為研究染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控機理研究提供了新的線索。

由于Cohesin復(fù)合體在三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控中扮演著關(guān)鍵角色，因此研究者從這一點入手，首先使用小鼠胚胎干細胞（mESCs）、黑色素瘤細胞（B16）和B淋巴細胞（CH12F3）完成了Cohesin的染色質(zhì)相關(guān)蛋白質(zhì)組學(xué)研究，鑒定了Cohesin調(diào)控相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、RNA結(jié)合蛋白和染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子等。其中，在近幾年的報道的CTCF、WIZ、YY1等轉(zhuǎn)錄因子都被在質(zhì)譜中鑒定到（圖1）。因此，本研究中的Cohesin互作蛋白質(zhì)組，在三種不同細胞中鑒定到的ZBTB21蛋白引起了關(guān)注，并推測其可能是一種新的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控因子。于是，研究者選擇了ZBTB21為進一步研究對象，利用蛋白瞬時降解系統(tǒng)對其進行短時長的體內(nèi)蛋白質(zhì)瞬時降解，完成了ChIP-seq、RNA-seq和Chromatin RNA-seq等相關(guān)實驗，證明了ZBTB21的降解可以削弱Cohesin和其招募因子NIPBL在染色質(zhì)上的結(jié)合，并且同時還檢測出了其對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的影響，發(fā)現(xiàn)了ZBTB21的轉(zhuǎn)錄抑制功能。

圖1. 不同細胞類型的Cohesin相關(guān)蛋白質(zhì)組鑒定到的一系列潛在調(diào)控因子

進一步，研究者利用本實驗室前期開發(fā)的BAT Hi-C技術(shù)，檢測了ZBTB21對于染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)ZBTB21被降解后染色質(zhì)之間的相互作用可以增強，這一現(xiàn)象通過4C-seq也得到了進一步的驗證。并且，在結(jié)構(gòu)有變化的位置，Cohesin在染色質(zhì)上的結(jié)合和Pol II在染色質(zhì)上的結(jié)合也都有明顯的變化，證明了ZBTB21對于轉(zhuǎn)錄抑制和染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用（圖2）。

圖2. ZBTB21對于染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用

最后，由于哺乳動物ZBTB蛋白家族有40個以上的成員，研究者推測除了ZBTB21以外的其他成員也可能參與類似的調(diào)控。于是，研究者再次利用蛋白質(zhì)瞬時降解系統(tǒng)，降解了另一個ZBTB蛋白-ZBTB7B，發(fā)現(xiàn)其同樣對Cohesin在染色質(zhì)上的結(jié)合產(chǎn)生影響，并且在體內(nèi)同時降解ZBTB21和ZBTB7B，這種影響作用會進一步加強。因此，本研究認為ZBTB蛋白可以調(diào)控Cohesin在染色質(zhì)上的結(jié)合，并且可以對染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的調(diào)控作出貢獻。本研究為染色質(zhì)結(jié)構(gòu)研究提供了新的調(diào)控因子。

圖3. ZBTB轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的工作模型

季雄為該論文的通訊作者。生命科學(xué)學(xué)院的博士后王蕊和博士生許杞欽為該論文的共同第一作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王晨璐博士（已畢業(yè)）、田凱博士（已出站）和王輝博士為該工作提供了重要幫助。

近日季雄研究員受邀于Transcription雜志發(fā)表了題為“Never a dull enzyme, RNA polymerase II”的綜述文章。RNA聚合酶II（Pol II）由12個亞基組成，在細胞核內(nèi)合成mRNA。Pol II被廣泛認為是被動的全酶，作為一個整體發(fā)揮功能，其亞基的分子功能很大程度上被忽略。季雄課題組利用生長素誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)瞬時降解標記（Auxin Inducible Degron, AID）技術(shù)和多組學(xué)分析揭示了Pol II的亞基對不同的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后過程有不同的貢獻，從而實現(xiàn)了其功能的多樣性。通過協(xié)調(diào)不同亞基來調(diào)節(jié)這些過程，Pol II可以優(yōu)化其在不同生物功能上的活性（optimized polymerase, OPPO）。該篇綜述全面歸納了Pol II的12個亞基的非經(jīng)典功能（圖4），以及這些亞基突變和表達紊亂對疾病的影響（圖5）。文章還回顧了季雄課題組近幾年在Pol II亞基非經(jīng)典功能、Pol II凝聚體以及RNA聚合酶I、II、III在染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)功能調(diào)控和RNA聚合酶交互調(diào)控關(guān)系和機制所取得的一系列研究進展。

圖4. Pol II亞基的非經(jīng)典功能總結(jié)

圖5. Pol II亞基突變和表達紊亂與相關(guān)疾病的概覽

季雄是本文的通訊作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院黃捷博士為本論文第一作者、共同通訊作者，負責了文章撰寫。

圖6. Pol II CTD, CTCF DBD體外凝聚體形成實驗和定量方案

此外，該團隊在STAR Protocols雜志發(fā)表了題為“Droplet formation assay for investigating phase-separation mechanisms of RNA Pol II transcription and CTCF functioning”的文章，研究了Pol II CTD、CTCF的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域在體外液滴形成的實驗和定量分析方法（圖6）。季雄是本文的通訊作者。王輝為本論文第一作者和共同通訊作者，負責了文章撰寫，周蓉博士（已畢業(yè)）是共同第一作者。

這些工作得到北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、啟東創(chuàng)新基金、細胞增殖與分化教育部重點實驗室、科技部國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。

來源：北京大學(xué)