Genome Biology & Methods | 季雄課題組在RNA聚合酶與染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)研究中取得進(jìn)展
基因轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究一直是分子生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也存在爭論。一方面，以往在哺乳動物細(xì)胞發(fā)育和疾病模型中的研究表明，活躍轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)域通常具有較高頻率的染色質(zhì)互作（Zheng et al., 2019），而在果蠅細(xì)胞中，染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)甚至可以僅通過轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)來模擬（Hug et al., 2017; Rowley et al., 2017; Rowley et al., 2019）。先前的研究也表明，轉(zhuǎn)錄可以促進(jìn)粘連蛋白(Cohesin)在染色質(zhì)上的重新定位從而調(diào)控三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)（Busslinger et al., 2017; Heinz et al., 2018）。另一方面，近來的研究發(fā)現(xiàn)，在胚胎發(fā)育早期，轉(zhuǎn)錄抑制對三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)（TADs）沒有顯著影響（Ke et al., 2017; Du et al., 2017）。其主要原因是由于受測序深度的限制，較難準(zhǔn)確描繪出更精細(xì)的三維結(jié)構(gòu)變化。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)錄抑制劑起效慢、特異性低，也加大了確定轉(zhuǎn)錄過程本身和轉(zhuǎn)錄狀態(tài)（相關(guān)的表觀遺傳修飾、非編碼RNA）在其中的作用的難度。
2020年7月2日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院季雄課題組在Genome Biology雜志在線發(fā)表了題為“Genome-wide analyses of chromatin interactions after the loss of Pol I, Pol II and Pol III”的研究論文。在該項(xiàng)研究中，作者運(yùn)用改造的特異蛋白泛素化瞬時(shí)降解系統(tǒng)（degron），結(jié)合其實(shí)驗(yàn)室稍早前開發(fā)的高效的染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)解析技術(shù)BAT Hi-C ( Bridge linker-Alul-Tn5 Hi-C, 2020年1月1日 發(fā)表于Methods 雜志, Huang et al., 2020)，系統(tǒng)闡述RNA聚合酶I/II/III (Pol I/II/III)對哺乳動物細(xì)胞染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的直接和間接調(diào)控并且表明染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。
Pol I/II/III作為整個基因表達(dá)過程上游的核心因子，分別負(fù)責(zé)rRNA, mRNA，tRNA等的轉(zhuǎn)錄，這一過程需要協(xié)調(diào)大量的轉(zhuǎn)錄因子，它們既可能和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白及非編碼RNA互作從而直接組織染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，也有可能通過轉(zhuǎn)錄下游效應(yīng)間接發(fā)揮功能。為了回答這些問題，論文首先利用蛋白質(zhì)瞬時(shí)降技術(shù)，在小鼠胚胎干細(xì)胞（mESCs）中特異性降解Pol I/II/III。結(jié)合BAT Hi-C技術(shù)，系統(tǒng)地描繪了RNA聚合酶降解前后染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)圖譜，并發(fā)現(xiàn)Pol I/II/III降解對TADs和Compartments等較大尺度的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu)影響有限。有趣的是，Pol II在細(xì)胞周期中的降解并不妨礙染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成，表明轉(zhuǎn)錄不是三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)建立所必需的。
Fig 1. 蛋白質(zhì)瞬時(shí)降解系統(tǒng)和BAT Hi-C的工作流程
結(jié)合更高精度的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)解析技術(shù)（HiChIP, OCEAN-C），作者發(fā)現(xiàn)Pol II特異性降解對小尺度染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響更為顯著，通過分別分析Pol I/II/III降解前后高富集區(qū)的結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)Pol I/II/III在維持局部的精細(xì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)方面起到了一定的作用。隨后在不同時(shí)間點(diǎn)降解Pol II處理，觀察到長時(shí)間Pol II降解（>6 hr）會改變?nèi)旧|(zhì)的開放性和Cohesin蛋白在染色質(zhì)上的結(jié)合，因此說明Pol II可以間接調(diào)控染色質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)。綜上所述，本工作系統(tǒng)地描述了哺乳動物細(xì)胞RNA聚合酶I/II/III (Pol I/II/III)對維持染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定起到了直接和間接的調(diào)控作用，為解析基因轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)二者之間的關(guān)系提供了更準(zhǔn)確的依據(jù)，也為研究其他因素對染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供了新的思路。
Fig 2. Pol I/II/III降解對各自高富集區(qū)的精細(xì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)造成影響
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院季雄研究員是這兩篇文章的通訊作者，季雄課題組博士生蔣永鵬 (CLS 2016級)、博士后黃捷、博士生倫可環(huán) (CLS 2017級)、李伯源 (PTN 2017級) 是本文的共同第一作者，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程和胡家志等老師為本文提供了重要幫助，季雄課題組的其他成員也為本文提供了不同程度的幫助。此外黃捷、蔣永鵬為稍早前BAT Hi-C方法學(xué)文章的共同第一作者。以上研究受到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心，生命科學(xué)學(xué)院和細(xì)胞增殖與分化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持與資助。
原文鏈接：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02067-3
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1046202318304778?via%3Dihub
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