热带爪蟾表明染色质重塑对从头TAD建立有重要影响

　　动物间期染色体被组织成拓扑关联域 (TAD)。尚未完全了解 TAD 的形成方式。

　　2021年6月7日，南方科技大学侯春晖，陈永龙，华中农业大学李立及澳门大学张仲荣共同通讯在Nature Genetics 在线发表题为“Three-dimensional folding dynamics of the Xenopus tropicalis genome”的研究论文，该研究结合高通量染色体构象捕获和基因沉默来深入了解热带爪蟾胚胎中的 TAD 动力学。

　　首先，热带爪蟾中的 TAD 建立与小鼠和果蝇中的相似，并且不依赖于合子基因组转录激活。此过程之后是进一步改进活性和抑制染色质区室以及环和条纹的出现。其次，在 TAD 中，边界一端的较高自相互作用频率与结构蛋白 CTCF 和 Rad21 的较高 DNA 占有率相关。第三，从头形成 TAD 需要染色质重塑因子 ISWI。最后，TAD 结构在不同组织中是可变的。总之，该研究工作表明热带爪蟾是染色体结构分析的强大模型，并表明染色质重塑在从头 TAD 建立中起着至关重要的作用。

　　间期染色体被划分为 TADs，分为活性或抑制染色质的隔室。 TAD 的结构相对稳定，对环境扰动有弹性，它们的结构在真核生物中进化保守。 TAD 边界的破坏会导致发育障碍甚至肿瘤发生；这强调了三维 (3D) 基因组组织在基因调控中的重要性。

　　胚胎发生过程中染色质结构的建立提供了一个初始空间框架，可以指导正确的基因组组织、染色质相互作用和基因调控。在果蝇、小鼠和人类中，TAD 在合子 (ZGA) 基因组激活阶段形成，并通过早期胚胎发育不断巩固 。然而，在斑马鱼中，TADs 已经在 ZGA 之前形成，随后丢失，然后在后期发育阶段重新建立。因此，物种之间 TAD 形成的差异提出了这一过程是否在进化上保守的问题。

　　最近在几项体外研究中报道了由 cohesin 复合物介导的 DNA 环挤出 ，并提出作为 TAD 建立的功能机制 。在培养的细胞中，单独删除 cohesin 复合成分双链断裂修复蛋白 rad21 同源物 (Rad21) 就足以消除 TADs 的建立。其他蛋白质，包括 CCCTC 结合因子 (CTCF)、cohesin 拮抗剂 Wings 分离样蛋白同源物 (WAPL) 及其伴侣 PDS5，也参与 TAD 调节和环结构形成。CTCF 损失会破坏 TAD 绝缘，但不会破坏更高阶的基因组区室化。同样，小鼠和人类胚胎发生期间的 TAD 形成分别需要 Rad21 和 CTCF。这些发现表明，培养和胚胎细胞核中的 TAD 形成是保守的。

　　TAD 在胚胎发生过程中如何形成仍不完全清楚。在热带爪蟾胚胎发生过程中，主要 ZGA 在 12 个同步细胞周期后发生在中囊胚转变 (MBT)（第 8+ 阶段）阶段，此时 S 和间隙相出现并且相间期延长。超过 1,000 个基因在 MBT之前被激活，而大多数合子基因组在转录上是沉默的。

　　为了检查和评估特定因素在热带爪蟾受精卵从头建立染色质结构中的作用，可以使用吗啉代蛋白来阻止目标蛋白的新翻译。在这项研究中，检查了野生型 (WT) 热带爪蟾胚胎和其中 RNA 聚合酶 II (Pol II)、CTCF、Rad21 或染色质重塑因子 ISWI 翻译受到抑制的胚胎的多个发育阶段的染色体构象变化。

　　研究表明，在热带爪蟾中，TAD 出现在 ZGA 处，随后在后期发育阶段依次建立环状和条纹结构。该研究发现 TAD 的形成需要 CTCF 和 Rad21。该研究还证明了 TAD 的建立和胚胎发育都需要 ISWI。有趣的是，该研究发现染色质相互作用的方向性几乎总是在 TAD 边界的一侧更强，并且伴随着 CTCF 和 Rad21 结合的更高富集。最后，该研究表明热带爪蟾的基因组结构在不同组织中是可变的。总之，该研究工作表明热带爪蟾是染色体结构分析的强大模型，并表明染色质重塑在从头 TAD 建立中起着至关重要的作用。