南京大学现代生物研究院韩瑞琦等揭示活细胞中环挤出的动态过程及黏连蛋白的相互作用

黏连蛋白 (Cohesin) 是染色体三维结构复合物的核心蛋白之一，它通过“环挤出” (loop extrusion)机制，将DNA折叠成拓扑关联结构域 (Topologically Associating Domains, TADs) 和各种染色质环，从而塑造和维持染色体的高级结构【1】。这些高级结构对维持基因组功能和细胞的正常运作至关重要，它除了帮助DNA高效包装和压缩、维持基因组的稳定性，也能够将基因和位于远距离的调控元件（例如增强子）在三维空间中拉近，实现基因表达的精准调控。

在以往针对黏连蛋白的研究中，通常采用降解黏连蛋白的方法。但是这种方法会导致细胞周期停滞，甚至死亡，无法精确控制黏连蛋白的活性，只能研究固定时刻的染色体结构，无法捕捉环挤出的动态过程。

2025年10月16日，来自南京大学现代生物研究院韩瑞琦课题组与乌特勒支医学院的Wouter de Laat课题组，联合荷兰癌症研究中心（NKI-AVL）的Elzo de Wit课题组研究开发出一种能够实现对黏连蛋白精准装载的系统——TArgeted Cohesin Loader(TACL) 系统。基于此技术，研究者在活细胞中观察到环挤出的动态过程及黏连蛋白的相互作用。

与传统研究方法相比，该系统利用经典的TetO/TetR系统的“开关”机制，将能与DNA特异结合的TetR蛋白与帮助黏连蛋白装载的MAU2蛋白融合，创建了TetR-FLAG-MAU2融合蛋白。同时，通过PiggyBac转座子系统将含有TetR结合位点的TetO平台插入到细胞的基因组中。

图1. TACL 系统示意图

在不添加多西环素（Dox）时，TetR-MAU2融合蛋白会结合到TetO位点，并招募黏连蛋白复合体。这标志着TACL系统的“启动”（TACL-ON），从而在这些特定的基因组位点激活黏连蛋白的环挤出活动。当加入Dox时，融合蛋白会从TetO位点解离，黏连蛋白也随之撤离。因此，该系统实现了在活细胞中对黏连蛋白活性地定时（时间可控）和定点（位点特异性）精准操纵。

图2. TACL 募集的黏连蛋白复合物如何诱导环挤压的模型。

此前，已有发现，黏连蛋白在环挤出的过程中遇到收敛方向（convergent）的CCCTC-binding factor (CTCF) 蛋白时会停滞下来，形成环的锚点【2】。本文通过TACL系统验证了这一观点，发现CTCF位点能够有效阻滞TACL诱导的环挤出。

在此基础上，本研究利用TACL系统的独特能力，首次实现了在活细胞中诱导出高黏连蛋白活性区域。这种高密度活动揭示了此前未被观察到的动态现象：黏连蛋白复合体在CTCF位点附近发生大量堆积，形成了类似于“交通堵塞”的壮观景象。揭示了一种由黏连蛋白环碰撞导致的动态累积模式，这种现象是以往依赖于降解黏连蛋白的方法所无法观察到的。

由于“交通堵塞”的存在，即使是方向“发散性”（Divergent）的CTCF位点，也能够暂时性地锚定黏连蛋白环，形成了比预期更复杂、普遍的CTCF接触网络，颠覆了我们对CTCF作为环挤出“硬边界”的传统认知.

这种黏连蛋白的“交通堵塞”并非没有后果，它对基因组的功能产生了直接影响，导致转录受阻和表观遗传状态改变。研究发现，高黏连蛋白环挤出活性会物理性地干扰局部基因的转录，这可能是由于大量黏连蛋白复合体在DNA上频繁移动和堆积，阻碍了负责合成RNA的转录机器（RNA聚合酶II）的顺利“通行”。当黏连蛋白活动停止后，这些基因的转录水平便会恢复。当黏连蛋白活动停止后，这些基因的转录水平又会恢复。

黏连蛋白的活跃“施工”还会改变局部染色质的表观遗传状态。研究检测到，在黏连蛋白活跃的区域，与转录激活相关的组蛋白修饰H3K27ac水平有所降低，尤其是在增强子区域。虽然具体的分子机制尚需深入，但这强烈暗示了黏连蛋白高强度活动可能通过影响增强子功能，进而影响基因表达。

这项研究不仅为我们提供了前所未有的工具来精确研究黏连蛋白在活细胞中的行为，更揭示了染色体三维结构形成中动态、复杂的相互作用。这些发现对于理解基因组如何被精确调控、疾病中染色体结构异常的发生机制，都具有深远的意义！

该成果以Characterization of induced cohesin loop extrusion trajectories inliving cells 为题，发表在Nature Genetics杂志，南京大学现代生物研究院韩瑞琦教授为该论文的第一作者和共同通讯作者。荷兰皇家科学院Hubrecht Institute及乌特勒支大学医学院的Wouter de Laat教授为论文的共同通讯作者。荷兰皇家科学院Hubrecht Institute和乌特勒支大学医学院为本研究提供大力支持。

南京大学现代生物研究院韩瑞琦团队关注黏连蛋白对基因功能及细胞功能的影响，致力于探索在癌症治疗中的潜在作用。诚邀各位青年才俊加盟课题组从事三维基因组及表观遗传方面的相关研究。有意向者可投递详细个人简历。

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原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-025-02358-0