复旦大学于淼团队揭示CTCF通过长程活性染色质簇协调3D结构与转录

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Sci Adv：复旦大学于淼团队揭示CTCF通过长程活性染色质簇协调3D结构与转录
, |5 U  m1 e1 |8 p7 x1.        长程活性染色质簇1 l. y- k# T8 \$ I% Y9 G
2.        CCCTC结合因子（CTCF）& A; j, ~: s$ H1 ~- D8 c
3.        三维（3D）基因组
* z8 l% m$ y& w) i; F8 Q5 t来源：iNature 2026-09-15 11:56
  `0 O7 ^' k, Q# }. N作者将HiRES和SALTAFinder结合使用，建立了一个用于表征单细胞边界定位变化和评估长程活性染色质簇变化的框架，从而为解释相关的整体转录能力降低提供了结构背景。' d" ~! Y+ Z! Y
CCCTC结合因子（CTCF）是三维（3D）基因组中的关键结构蛋白，但其缺失如何以单细胞分辨率重塑染色质结构和转录仍不清楚。
% |7 W2 O; b; n; Y2026年9月4日，复旦大学于淼独立通讯在Science Advances 在线发表题为CTCF aligns single-cell TAD-like domain boundaries and stabilizes long-range active chromatin clusters的研究论文。该研究使用HiRES——一种从同一细胞核中联合分析染色质接触和RNA的技术——作者研究了CTCF耗竭的全基因组效应。! Q6 E5 g: I% ~
单细胞中的拓扑关联结构域（TAD）样结构域（TLDs）在CTCF缺失后在数量和大小上基本保持不变，但其边界位置变得更加多变，且伪批量分析揭示了A区室内相互作用的减少。
  n1 V- b* E+ N! a2 k* ]作者还开发了SALTAFinder来识别空间聚集的长距离TLD组装体（SALTAs）——在单个细胞内占据共享3D空间的TLD簇。一部分SALTAs富集了高表达基因和超级增强子，并在CTCF耗竭后减少。这种结构重组与每个细胞RNA输出的全局减少同时发生，正如HiRES和正交测量所表明的那样。  _: Y! G0 |* s# h7 R' h
总之，这些发现表明CTCF有助于染色质组织和转录能力的协调调控，并与长程活性染色质簇的稳定相关。) Y! a' s+ [: i: K+ e

+ V* P9 o& i. O4 S/ J三维（3D）基因组为协调基因表达和染色质拓扑学提供了一个重要的调控框架。基因组被划分为A/B区室、拓扑关联结构域（TADs）和染色质环，这些结构在多个层面上约束调控通讯。
& [! }: E6 P, \2 _" S一个关键的结构因子——CCCTC结合因子（CTCF）——锚定黏连蛋白介导的环，并通过序列特异性结合和环挤压的定向依赖性阻断来界定TAD边界。通过隔离相邻的染色质结构域，CTCF保护增强子-启动子特异性并有助于维持细胞类型特异性转录程序。; R- s& W' H; a) S
批量Hi-C实验表明，在哺乳动物细胞中耗竭CTCF会导致显著的结构重排，如TAD边界的弱化甚至丧失、CTCF锚定环的消失以及TAD间接触的增加，而大规模A/B区室化基本保持不变。然而，批量检测掩盖了染色质折叠的广泛细胞间异质性。
8 a  d2 W: Y6 I1 `' A+ V6 u1 @单细胞Hi-C和染色质示踪成像揭示，单个细胞核在单细胞水平上具有高度可变的结构域结构，其边界在位置和范围上跨细胞波动。这些结构与从批量Hi-C中鉴定的TAD在尺度上具有相似性，因此被称为TAD样结构域（TLDs）。- {: w' t' W. D. f
这些发现表明，批量TAD代表了异质性单细胞构型的集合，其中CTCF富集位点表现出最高的边界概率。然而，CTCF耗竭如何在单细胞水平上影响TLD边界定位和稳定性仍不清楚。
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) _, N$ l" q6 T7 K图1.说明CTCF损失如何重组活性SALTA并与转录能力降低相关的模型（摘自Science Advances ）/ d5 s% @, y- P
CTCF对哺乳动物发育是不可或缺的。小鼠中CTCF的完全敲除导致早期胚胎致死，组织特异性缺失导致多种发育缺陷，强调了其在体内维持正确基因调控中的重要作用。尽管如此，在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中，CTCF降解仅影响有限数量的基因且不损害多能性，尽管它显著降低了分化潜能。  r* {3 B6 k( ^+ T# {
总之，这些观察提出了理解CTCF结构作用的两个关键问题。第一，CTCF缺失是消除结构域边界，还是改变边界在单细胞中的形成位置？第二，即使大多数单个基因表达变化很小，这种结构紊乱能否影响细胞的整体转录能力？
& j! I: P$ g6 N1 @为回答这些问题，作者将HiRES（同时测量的Hi-C和RNA测序）——一种从同一细胞核中联合分析染色质接触和RNA的配对单细胞方法——应用于对照和CTCF耗竭的mESCs。这种基因组结构和转录的联合测量揭示，CTCF缺失增加了单细胞中TLD边界位置的可变性，并削弱了A区室内的相互作用，同时伴随着每个细胞RNA丰度的降低。
0 J0 i: l: M+ F6 q+ u通过生成具有全基因组覆盖的等位基因分辨单细胞接触图谱——并获得超过一千个具有足够接触深度的此类图谱——作者的数据集使作者能够量化边界使用相对于经典TAD边界在单个细胞间的变化，并检查单细胞TLD边界频率与批量TAD边界强度的关系。
: C& {0 }( Q7 ]# S每个细胞的高接触数进一步使作者能够应用SALTAFinder——作者开发的一种用于识别空间聚集的长距离TLD组装体（SALTAs）的框架，定义为在单个细胞核内占据共享3D空间的远距离TLD簇。在这些组装体中，一个富集超级增强子和高表达基因的亚群形成了转录许可性簇，其存在在CTCF耗竭后减少。% t3 x( p3 A8 X1 T
总之，作者将HiRES和SALTAFinder结合使用，建立了一个用于表征单细胞边界定位变化和评估长程活性染色质簇变化的框架，从而为解释相关的整体转录能力降低提供了结构背景。
6 _' q5 I' q* J( c0 _" \参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee2863
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