打破认知！果蝇中表观遗传与染色质物理结构域的关系新解

在果蝇研究中，拓扑相关结构域（TADs）与表观基因组关系密切，但组蛋白修饰对 TADs 形成和结构的作用尚不明确。研究人员通过 CRISPR/Cas9 技术开展相关研究，发现表观遗传标记 H3K27me3 并非 TADs 形成的主要驱动力，该成果有助于深入理解基因组组织。

　　

在生命科学的微观世界里，基因组的奥秘一直吸引着无数科研人员探索。基因组并非杂乱无章地挤在细胞核内，而是有着独特的组织方式，其中拓扑相关结构域（TADs）就是一种重要的组织形式。在果蝇中，TADs 与表观基因组之间存在着紧密的联系，这让科学家们猜测，是不是表观基因组在 TADs 的形成过程中发挥了关键作用呢？特别是组蛋白修饰，它会不会就是 TADs 形成和维持结构的幕后 “主使”？带着这些疑问，来自法国蒙彼利埃人类遗传学研究所（Institute of Human Genetics, UMR9002 CNRS and University of Montpellier）的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在了《Genome Biology》杂志上，为我们揭开了这一谜题的神秘面纱。

为了搞清楚这些问题，研究人员运用了多种关键技术方法。在基因编辑方面，他们借助 CRISPR/Cas9 基因组工程技术对果蝇基因进行精准编辑；采用 CUT&RUN 技术，分析特定组蛋白修饰在基因组上的分布情况；利用 RNA-seq 技术，研究基因的表达变化；通过 Hi-C 技术，探究染色质的三维结构及相互作用。

研究结果

1. 擦除表观遗传 TAD 特征的影响：研究人员选取了果蝇中关键发育调节基因 dachshund（dac）所在的 TAD 区域进行研究。该区域的染色质状态由 PcG 蛋白和 H3K27me3 标记所定义。研究人员运用 CRISPR/Cas9 技术删除了两个 Polycomb 反应元件（PRE1 和 PRE2），这两个元件是 PcG 蛋白结合的关键位点。结果发现，虽然 H3K27me3 水平大幅下降，但对 dac TAD 内及周边基因的表达影响较小，仅 CG5888 基因有适度上调。Hi-C 实验表明，TAD 的整体结构和边界并未受到显著影响，但内部的 PRE 环相互作用消失了。这说明，Polycomb TAD 的表观遗传特征并非物理结构域形成和 TAD 边界划定的主要驱动力123。

2. 改变 PRE 位置生成新表观遗传特征的影响：研究人员采用了另一种策略，他们删除了 dac TAD 区域的内源性 PRE1（ΔPRE1），并在 dac TAD 上游区域插入 PRE1 序列（PRE1_UP）。CUT&RUN 实验显示，插入的 PRE1 能够招募 PRC1 组件 PH，但 H3K27me3 的扩散受到很大限制，无法形成大的抑制性染色质结构域。Hi-C 实验表明，虽然 TAD 结构基本保持稳定，但插入异位 PRE 后，dac TAD 与上游 TAD 之间的绝缘分数略有下降，而且位于不同 TAD 中的两个 PRE 之间相互作用的潜力显著降低456。

研究结论和讨论

综合这两种实验方法的结果，研究人员得出结论：在果蝇中，尽管 TAD 结构与染色质状态紧密相关，但表观遗传标记 H3K27me3 并非 TAD 形成和界定的主要驱动力，不过它对 TAD 的区室化有一定贡献。相反，物理结构域对表观遗传结构域的形成以及 PRE 之间的相互作用有着重要影响。这一研究成果打破了以往人们对果蝇中表观遗传和物理染色质结构域关系的认知，为进一步理解基因组组织和基因调控机制提供了新的视角，有助于科学家们更深入地探究生命过程中的遗传信息传递和调控奥秘，在发育生物学、遗传学等多个领域都具有重要的理论意义，为后续相关研究奠定了坚实的基础。