哺乳动物染色质的拓扑结构对基因转录调控起着至关重要的作用。这些拓扑结构包括：Topologically Associating Domains （TADs）和其内部的DNA环状结构（DNA loops）。之前的研究表明这些拓扑结构的边界（boundary）序列的破坏会造成邻近基因的表达异常，从而可能引发疾病。但是，这些拓扑结构如何影响早期胚胎干细胞分化还尚未解决。
2021年8月12日，北京大学医学部精准医疗多组学研究中心吴华君团队、美国哈佛大学Franziska Michor团队和德国马普研究所Alexander Meissner团队合作在 Nature Communications 在线发表题为Topological isolation of developmental regulators in mammalian genomes的研究论文，揭示了参与胚胎干细胞分化的转录调控因子会被染色质拓扑结构所单独隔离，打破这种隔离会造成胚胎干细胞分化受阻，造成早期干细胞发育异常，为深入研究人类早期胚胎发育和基因组3D结构的关系提供了线索。
图. CTCF loop domain的分类和功能富集
本文提出了一种假设：重要的发育相关转录因子（developmental regulators），特别是胚胎干细胞分化因子，会被染色质的拓扑结构（CTCF loop domain）保护起来以阻止临近基因的干扰。基于此假设，作者设计了计算方法从Hi-C数据中寻找CTCF loop domain，并鉴定了一类这样被单独隔离的基因（包含于single-gene CTCF loop domain），命名为Topologically Isolated Genes (TIG)。进一步分析证实了作者的假设：TIG富集胚胎干细胞和体细胞发育相关的转录调控因子。进化分析表明TIG边界的CTCF序列在哺乳动物中具有高度的跨物种保守性，这种保守性要显著的高于其他CTCF loop domain的边界CTCF序列。
图. 胚胎干细胞分化相关调控因子和SOX17位点的分析
接下来作者选取了在胚胎干细胞分化过程中具有代表性的两个基因进行了功能验证：SOX17包含在single-gene CTCF loop domain中，NANOG包含在multi-gene CTCF loop domain中。将包含SOX17的CTCF loop domain的边界序列进行敲除降低了内胚层（endoderm）分化特异enhancer和SOX17基因启动子区之间的空间相互作用，导致SOX17在内胚层分化过程中无法显著上调，从而造成胚胎干细胞分化受阻。另一方面对包含NANOG的multi-gene CTCF loop domain边界序列进行敲除未发现明显的表型和功能。预示着single-gene CTCF loop domain相比multi-gene CTCF loop domain在基因调控层面具有更加不可替代的功能，为进一步更广泛的功能研究提供了线索。
图. 组织间保守的CTCF loop domain
之后作者分析了大量不同组织的Hi-C数据，表明在组织间保守的CTCF loop domain的边界序列具有更高的跨物种保守性，揭示了这些序列在进化过程中经历了选择压力（purifying selection）。另外，组织间保守的CTCF loop domain的边界序列包含有更低的单核苷酸多态性位点，揭示了在人群中具有更低比率的germline variations，猜测可能具有胚胎致死的特性。
图. 组织间保守的CTCF loop domain的隔绝作用
文章最后利用Roadmap Epigenomics Project的数据，对这些组织间保守的CTCF loop domain如何影响其内部的基因表达进行了广泛的分析，表明这些组织间保守的CTCF loop domain起到保护内部基因转录调控信号并防止信号溢出的功能，这一结果与之前的理论相吻合，进一步证实了染色质拓扑结构在基因可以表达方面的重要功能。
本研究利用计算方法从Hi-C数据中发现大量发育相关转录因子被染色质的拓扑结构（CTCF loop domain）所单独隔离，并揭示这种染色质的拓扑结构如何通过调控重要分化因子（SOX17基因）从而影响早期胚胎干细胞分化的机制。为深入研究人类基因组3D结构调控早期胚胎发育起到了推动作用。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24951-7
北京大学医学部精准医疗多组学研究中心吴华君实验室主页：http://cpmmr.bjmu.edu.cn/situation/tteam/219572.htm
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