转录因子CTCF相分离的机理与生物学功能探究

Free proteins containing disordered or multivalent domains can form droplet by liquid-liquid phase separation. These droplets can perform specific functions spatio-temporally and can avoid interference from other molecules. Recent studies have shown that phase separation is ubiquitous and its function is important, but it is still not clear about the regulation of phase separation for three-dimensional chromatin structure. In our previous work, we studied the roles of CTCF/Cohesin complex in 3D genome organization and gene control. Our recent progresses indicated that CTCF could undergo phase separation. On this basis, we plan to carry out research from the following three aspects: 1) studying on the molecular mechanisms of transcription factor CTCF phase separation; 2) exploring the roles of CTCF phase separation in 3D genome organization and gene expression; 3) identifying the phase separation of chromatin-associated proteins, DNA and RNA network. This study will provide new methods, new theories and new ideas for the study of phase separation. Meanwhile, identifying abnormal phase separation in cancer cells will provide useful information for cancer therapeutic targets.

游离的含有无序或者多价结构域的蛋白质通过液液相分离聚集成液滴，这些液滴能够时空特异性地执行特定的功能而可以避免受到其它分子的干扰。近几年的研究表明相分离现象普遍存在并且功能重要，但是关于相分离对三维染色质结构的调控目前还不清楚。我们在先前的工作中研究了CTCF/Cohesin 蛋白复合体对三维染色质结构和基因表达的调控，本课题组的最新进展表明转录因子CTCF可以发生相分离。在此基础之上，本课题计划从以下三个方面开展研究：1）研究转录因子CTCF相分离的分子机理；2）探究CTCF相分离对基因表达和三维染色质结构的调控；3）系统鉴定染色质上发生相分离的蛋白质、DNA和RNA组分。本研究将为研究相分离提供新方法、新理论和新思路；同时研究癌症细胞中的异常相分离，将为癌症治疗靶点提供有用信息。

CTCF是重要的三维染色质结构蛋白，相分离是近年来的研究热点。本项目的研究发现CTCF的DNA结合结构域能够发生液液相分离形成凝聚体，该凝聚体能够聚集染色质绝缘相关因子，排开转录激活相关因子。DNA或者RNA可以抑制其聚集。CTCF的DNA结合结构域的精氨酸呈现高频突变，突变会减弱其DNA结合和绝缘功能。此外本研究系统梳理了一千多个转录因子，发现转录因子的DNA结合结构域的精氨酸也存在高频突变，其中不少转录因子的DNA结合结构域也能够发生液液相分离，并且相关癌症突变会影响其聚集。本项目研究结果对于理解CTCF功能机理，三维染色质结构，转录因子和癌症致病机理都有重要参考价值。在本项目的支持下，共计发表论文9篇，其中包括iScience, Nature Communications, Methods, Genome Biology 等。