吳強課題組在轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控原鈣粘蛋白三維基因組機制研究中取得重要進展
? ? ? ?北京時間4月14日，牛津大學出版社出版的、國際權威學術期刊《核酸研究》在線發(fā)表了上海交通大學系統(tǒng)生物醫(yī)學研究院比較生物醫(yī)學中心吳強教授團隊以“Mechanism of REST/NRSF Regulation of Clustered Protocadherin Alpha Genes”為題目的最新成果，揭示了轉(zhuǎn)錄因子REST結合DNA模式和調(diào)控原鈣粘蛋白表達的重要機制。
? ? ? ?在大腦發(fā)育過程中，人類860億個神經(jīng)元必須通過數(shù)萬億突觸進行連接，形成復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡，來完成準確的信號傳遞和感覺運動、認知信息的有效處理。大腦神經(jīng)網(wǎng)絡建立的失敗或異常會導致神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)精神障礙。為了形成合適的突觸連接，神經(jīng)元進化出了自我回避機制來區(qū)分各自的獨特性，以最大限度地形成功能性突觸連接。脊椎動物和無脊椎動物的神經(jīng)自我回避都需要細胞表面識別分子的獨特組合表達來產(chǎn)生單個細胞表面的分子識別代碼。在哺乳動物中，原鈣粘蛋白家族的約60個基因的隨機選擇性表達產(chǎn)生的分子多樣性，就為大腦中單個神經(jīng)元提供了自我回避所需的細胞特異性。原鈣粘蛋白是如何選擇性地抑制部分成員而讓其他成員表達的分子機制尚未被完全闡明。
? ? ? ?神經(jīng)元特性的有序獲得及維持需要下調(diào)轉(zhuǎn)錄抑制因子來解除神經(jīng)特異性基因的抑制狀態(tài)。抑制元件的沉默轉(zhuǎn)錄因子REST或者叫神經(jīng)元限制性沉默因子，就是一個重要的神經(jīng)基因的抑制因子，它能抑制神經(jīng)前體細胞和非神經(jīng)細胞中大量神經(jīng)特異性性基因的表達。REST是一個含有串聯(lián)排列鋅指結構域的鋅指蛋白，通過串聯(lián)排列的鋅指結構域與人類基因組中成千上萬的位點結合后，抑制相應基因的表達，REST是怎樣識別人類基因組中成千上萬的位點這一核心問題一直沒有得到解決。
? ? ? ?吳強教授團隊致力于原鈣粘蛋白三維基因組表達調(diào)控的分子機制研究。在此研究中，該團隊鑒定出原鈣粘蛋白超級增強子和可變外顯子中的REST結合位點的圖譜。該研究通過一系列實驗發(fā)現(xiàn)REST通過其串聯(lián)排列鋅指結構域，以堿基特異性反向平行的方式識別人類基因組中成千上萬的位點，這種方向性的結合對于REST調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)基因表達至關重要，進一步研究發(fā)現(xiàn)REST通過構象轉(zhuǎn)換的方式來識別人類基因組中不同類型的結合位點，解決了人類基因組為什么具有不同類型的REST位點這個長久的未解之謎。人類基因組中有800多種轉(zhuǎn)錄鋅指蛋白的基因，本研究的發(fā)現(xiàn)對于闡明鋅指結構轉(zhuǎn)錄因子識別和構建人類基因組的機制具有重要意義。
? ? ? ?最后，該團隊通過自主開發(fā)的DNA片段編輯技術，首次發(fā)現(xiàn)REST能夠抑制超級增強子和靶向啟動子之間的遠距離相互作用，這種三維基因組染色質(zhì)高級結構的改變，伴隨著染色質(zhì)表觀遺傳學修飾的改變，以及染色體架構蛋白CTCF富集的增加和DNA甲基化的降低，即REST通過方向性基因組結合后，借助CTCF介導的增強子和啟動子間的特異性相互作用和染色質(zhì)表觀遺傳學修飾來改變?nèi)S基因組染色質(zhì)高級結構，遠距離地抑制神經(jīng)基因的表達。與傳統(tǒng)的啟動子附近REST結合位點抑制近距離基因表達的調(diào)控機制相比，這個發(fā)現(xiàn)是個全新的機制，且為全面研究神經(jīng)基因是在組織器官發(fā)育中是抑制機制奠定了基礎。該研究得到了三位專家評審的高度肯定并迅速被《核酸研究》雜志接收。
? ? ? 該研究由上海交通大學吳強課題組和達林泰課題組合作完成，吳強講席教授為通訊作者，交大博士生湯元霄為第一作者。該研究得到了國家自然科學基金、科技部和上海市科委的資助。
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論文連接： https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab248/6225233
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稿件來源：吳強課題組
圖文編輯：王華瑤
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