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Genome Biology & Methods | 季雄课题组在RNA聚合酶与染色质三维结构研究中取得进展

日期: 2020-07-06

基因转录与染色质三维结构关系的研究一直是分子生物学领域的研究热点和难点,也存在争论。一方面,以往在哺乳动物细胞发育和疾病模型中的研究表明,活跃转录的染色质区域通常具有较高频率的染色质互作(Zheng et al., 2019),而在果蝇细胞中,染色质高级结构甚至可以仅通过转录数据来模拟(Hug et al., 2017; Rowley et al., 2017; Rowley et al., 2019)。先前的研究也表明,转录可以促进粘连蛋白(Cohesin)在染色质上的重新定位从而调控三维染色质结构(Busslinger et al., 2017; Heinz et al., 2018)。另一方面,近来的研究发现,在胚胎发育早期,转录抑制对三维染色质结构(TADs)没有显著影响(Ke et al., 2017; Du et al., 2017)。其主要原因是由于受测序深度的限制,较难准确描绘出更精细的三维结构变化。同时,由于转录抑制剂起效慢、特异性低,也加大了确定转录过程本身和转录状态(相关的表观遗传修饰、非编码RNA)在其中的作用的难度。

202072日,北京大学esball世博黑钱吗季雄课题组在Genome Biology杂志在线发表了题为“Genome-wide analyses of chromatin interactions after the loss of Pol I, Pol II and Pol III”的研究论文。在该项研究中,作者运用改造的特异蛋白泛素化瞬时降解系统(degron),结合其实验室稍早前开发的高效的染色质高级结构解析技术BAT Hi-C ( Bridge linker-Alul-Tn5 Hi-C, 202011日 发表于 Methods 杂志, Huang et al., 2020),系统阐述RNA聚合酶I/II/III (Pol I/II/III)对哺乳动物细胞染色质高级结构的直接和间接调控并且表明染色质三维结构相对稳定。

Pol I/II/III作为整个基因表达过程上游的核心因子,分别负责rRNA, mRNAtRNA等的转录,这一过程需要协调大量的转录因子,它们既可能和染色质结构蛋白及非编码RNA互作从而直接组织染色质三维结构,也有可能通过转录下游效应间接发挥功能。为了回答这些问题,论文首先利用蛋白质瞬时降技术,在小鼠胚胎干细胞(mESCs)中特异性降解Pol I/II/III。结合BAT Hi-C技术,系统地描绘了RNA聚合酶降解前后染色质的三维结构图谱,并发现Pol I/II/III降解对TADsCompartments等较大尺度的染色质结构高级结构影响有限。有趣的是,Pol II在细胞周期中的降解并不妨碍染色质高级结构的形成,表明转录不是三维染色质结构建立所必需的。

Fig 1. 蛋白质瞬时降解系统和BAT Hi-C的工作流程

结合更高精度的染色质结构解析技术(HiChIP, OCEAN-C),作者发现Pol II特异性降解对小尺度染色质结构的影响更为显著,通过分别分析Pol I/II/III降解前后高富集区的结构变化,发现Pol I/II/III在维持局部的精细染色质结构方面起到了一定的作用。随后在不同时间点降解Pol II处理,观察到长时间Pol II降解(>6 hr)会改变染色质的开放性和Cohesin蛋白在染色质上的结合,因此说明Pol II可以间接调控染色质的高级结构。综上所述,本工作系统地描述了哺乳动物细胞RNA聚合酶I/II/III (Pol I/II/III)对维持染色质三维结构的相对稳定起到了直接和间接的调控作用,为解析基因转录与染色质三维结构二者之间的关系提供了更准确的依据,也为研究其他因素对染色质高级结构的调控提供了新的思路。

Fig 2. Pol I/II/III降解对各自高富集区的精细染色质结构造成影响

北京大学esball世博黑钱吗季雄研究员是这两篇文章的通讯作者,季雄课题组博士生蒋永鹏 (CLS 2016)、博士后黄捷、博士生伦可环 (CLS 2017)、李伯源 (PTN 2017) 是本文的共同第一作者,北京大学esball世博黑钱吗李程和胡家志等老师为本文提供了重要帮助,季雄课题组的其他成员也为本文提供了不同程度的帮助。此外黄捷、蒋永鹏为稍早前BAT Hi-C方法学文章的共同第一作者。以上研究受到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、ju111九州娱网址-清华生命科学联合中心,esball世博黑钱吗和细胞增殖与分化教育部重点实验室的大力支持与资助。

原文链接:

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02067-3

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1046202318304778?via%3Dihub