熱帶爪蟾表明染色質重塑對從頭TAD建立有重要影響

　　動物間期染色體被組織成拓撲關聯域 (TAD)。尚未完全了解 TAD 的形成方式。

　　2021年6月7日，南方科技大學侯春暉，陳永龍，華中農業大學李立及澳門大學張仲榮共同通訊在Nature Genetics 在線發表題為“Three-dimensional folding dynamics of the Xenopus tropicalis genome”的研究論文，該研究結合高通量染色體構象捕獲和基因沉默來深入了解熱帶爪蟾胚胎中的 TAD 動力學。

　　首先，熱帶爪蟾中的 TAD 建立與小鼠和果蠅中的相似，并且不依賴于合子基因組轉錄激活。此過程之后是進一步改進活性和抑制染色質區室以及環和條紋的出現。其次，在 TAD 中，邊界一端的較高自相互作用頻率與結構蛋白 CTCF 和 Rad21 的較高 DNA 占有率相關。第三，從頭形成 TAD 需要染色質重塑因子 ISWI。最后，TAD 結構在不同組織中是可變的。總之，該研究工作表明熱帶爪蟾是染色體結構分析的強大模型，并表明染色質重塑在從頭 TAD 建立中起著至關重要的作用。

　　間期染色體被劃分為 TADs，分為活性或抑制染色質的隔室。 TAD 的結構相對穩定，對環境擾動有彈性，它們的結構在真核生物中進化保守。 TAD 邊界的破壞會導致發育障礙甚至腫瘤發生；這強調了三維 (3D) 基因組組織在基因調控中的重要性。

　　胚胎發生過程中染色質結構的建立提供了一個初始空間框架，可以指導正確的基因組組織、染色質相互作用和基因調控。在果蠅、小鼠和人類中，TAD 在合子 (ZGA) 基因組激活階段形成，并通過早期胚胎發育不斷鞏固 。然而，在斑馬魚中，TADs 已經在 ZGA 之前形成，隨后丟失，然后在后期發育階段重新建立。因此，物種之間 TAD 形成的差異提出了這一過程是否在進化上保守的問題。

　　最近在幾項體外研究中報道了由 cohesin 復合物介導的 DNA 環擠出 ，并提出作為 TAD 建立的功能機制 。在培養的細胞中，單獨刪除 cohesin 復合成分雙鏈斷裂修復蛋白 rad21 同源物 (Rad21) 就足以消除 TADs 的建立。其他蛋白質，包括 CCCTC 結合因子 (CTCF)、cohesin 拮抗劑 Wings 分離樣蛋白同源物 (WAPL) 及其伴侶 PDS5，也參與 TAD 調節和環結構形成。CTCF 損失會破壞 TAD 絕緣，但不會破壞更高階的基因組區室化。同樣，小鼠和人類胚胎發生期間的 TAD 形成分別需要 Rad21 和 CTCF。這些發現表明，培養和胚胎細胞核中的 TAD 形成是保守的。

　　TAD 在胚胎發生過程中如何形成仍不完全清楚。在熱帶爪蟾胚胎發生過程中，主要 ZGA 在 12 個同步細胞周期后發生在中囊胚轉變 (MBT)（第 8+ 階段）階段，此時 S 和間隙相出現并且相間期延長。超過 1,000 個基因在 MBT之前被激活，而大多數合子基因組在轉錄上是沉默的。

　　為了檢查和評估特定因素在熱帶爪蟾受精卵從頭建立染色質結構中的作用，可以使用嗎啉代蛋白來阻止目標蛋白的新翻譯。在這項研究中，檢查了野生型 (WT) 熱帶爪蟾胚胎和其中 RNA 聚合酶 II (Pol II)、CTCF、Rad21 或染色質重塑因子 ISWI 翻譯受到抑制的胚胎的多個發育階段的染色體構象變化。

　　研究表明，在熱帶爪蟾中，TAD 出現在 ZGA 處，隨后在后期發育階段依次建立環狀和條紋結構。該研究發現 TAD 的形成需要 CTCF 和 Rad21。該研究還證明了 TAD 的建立和胚胎發育都需要 ISWI。有趣的是，該研究發現染色質相互作用的方向性幾乎總是在 TAD 邊界的一側更強，并且伴隨著 CTCF 和 Rad21 結合的更高富集。最后，該研究表明熱帶爪蟾的基因組結構在不同組織中是可變的。總之，該研究工作表明熱帶爪蟾是染色體結構分析的強大模型，并表明染色質重塑在從頭 TAD 建立中起著至關重要的作用。