浓缩素II型复合物对染色质绝缘功能的调控及其机理研究

In higher eukaryotic organisms,the chromatin insulator is involved in gene spatial and temporal expression through its combination with insulator binding protein CTCF. So far, the regulatory mechanism of these factors on chromatin insulation is still unclear. We and other scientists discovered that chromatin insulation not only depends on CTCF itself, but also depends on the factors which interact with CTCF (For example, RNA helicase p68 and Cohesin complex). In order to identify novel proteins to participate in CTCF-mediated chromatin insulation, based on our recent research work, we identified that Condensin II complex exists in CTCF protein complexes through protein affinity purification and protein-protein interaction analysis. In this study, we will study the biological functions of Condensin II complex, focusing on how condensin II complex regulates CTCF-mediated chromatin insulation and long range chromatin interaction, and the intrinsic molecular mechanisms of regulation. This study will help us to deeply understand regulatory methanisms of chromatin insulation mediated by CTCF and its interacting partners, to provide a new theoretical basis for the three-dimensional structure of chromatin on the regulation of gene expression.

在高等真核生物中，染色质绝缘子参与基因的时空表达需要通过与其相结合的蛋白质CTCF来实现。目前为止，我们对染色质绝缘功能的调控机制仍不清楚。我们和其他科学家发现染色质的绝缘功能不仅依赖于CTCF本身，还依赖于与其相互作用的部分蛋白质，如：RNA解螺旋酶p68和粘结蛋白复合物。为了鉴定出更多参与调控染色质绝缘功能的蛋白质，本项目在已有研究工作的基础上,通过蛋白亲和纯化及互作分析，发现浓缩素II型复合物存在于CTCF的蛋白复合物中。本研究将对浓缩素II型蛋白复合物的生物学功能展开研究，重点阐明浓缩素II型蛋白复合物如何调控CTCF介导的染色质绝缘功能和远距离染色质相互作用，并对其调控的内在分子机理进行深入探索。该研究有助于我们更深入的理解CTCF及其蛋白复合物对染色质绝缘功能的调控机制，为染色质三维空间结构对基因的表达调控提供新的理论依据。

我们在前期发现RNA结合蛋白DDX5对CTCF染色质绝缘功能调控的基础上，本项目进一步通过蛋白亲和纯化及互作分析，本研究发现浓缩素经典亚基SMC2以及浓缩素II 型复合物特异亚基hCAP-D3与 CTCF相互作用；浓缩素 II型蛋白复合物可以调控 CTCF 介导的染色质绝缘功能和基因组部分位点的远距离染色质相互作用；而且，浓缩素复合物亚基SMC2与CTCF在基因组中的结合位点只有很少一部分结合位点相重叠。敲除浓缩素复合物亚基SMC2的小鼠是胚胎致死的。我们进一步发现SMC2负向调控核糖体rRNA基因的转录，而CTCF则正向调控核糖体rRNA基因的转录。敲降SMC2的同时过表达CTCF显著增加了组蛋白H4的乙酰化水平在rRNA基因上CTCF结合位点上的富集，促进rRNA基因的转录。本研究我们首次发现浓缩素 II 型复合物与CTCF存在相互作用，而且，浓缩素 II 型复合物对CTCF染色质绝缘功能和远距离染色质相互作用的影响只在部分区域发挥调节作用。这一研究结果对染色质高级结构对基因表达调控的影响具有重要作用。.同时，我们在本项目的资助下，研究了在体细胞重编程过程中，染色质绝缘子结合蛋白复合物CTCF和核小体定位对重编程基因表达调控的影响。相对于MEF和iPS细胞，重编程中间阶段的pre-iPS细胞的染色质最为开放。而且，与MEF细胞和iPS细胞的核小体定位相比，pre-iPS细胞在全基因组范围内核小体定位最为准确。结合CTCF的DNA结合位点分析，我们发现在pre-iPS细胞中存在与核小体共定位的独有现象。这表明CTCF在pre-iPS细胞中发挥着特殊的功能。同时，我们阐明了DDX5对体细胞重编程的抑制作用及调节机制。这项研究有助于我们更深入的理解染色质绝缘复合物（CTCF 及其互作蛋白复合物）对细胞命运调控的机制，为染色质三维空间结构对基因的表达调控提供新的理论依据。