人类ORC2通过独立于复制起始功能的表观遗传调控重塑染色体结构与基因表达

本研究揭示了人类起源识别复合体(ORC)亚基ORC2的全新功能：独立于六亚基ORC复合体的DNA复制功能，通过调控组蛋白修饰(H3K9me3/H3K27me3)、染色质可及性(ATAC-seq验证)和染色体三维结构(Hi-C分析)，在基因组特定位点双向调控基因表达。该发现突破了ORC仅作为复制起始因子的传统认知，为理解表观遗传调控提供了新视角。

　　

ORC2亚基的意外角色：超越DNA复制的表观遗传调控

【Highlights】
• 单个ORC亚基结合基因组重叠和独特位点
• ORC2双向调控表观遗传状态：既可激活也能抑制基因表达
• ORC1和ORC5不共调控ORC2调节的大部分位点
• ORC2通过抑制CTCF结合调控染色质环结构

【Summary】
这项多组学研究在人类细胞系中揭示了起源识别复合体(ORC)三个亚基的全基因组功能。与传统认知相反，研究发现尽管ORC亚基应作为六亚基复合体共同结合DNA，但基因组中存在数千个位点仅被单个亚基特异性结合。DNA结合的ORC2通过两种看似矛盾的方式调控染色质：一方面压缩染色质并吸引抑制性组蛋白标记(H3K9me3)至特定基因组区域；另一方面又在许多位点激活染色质并保护基因免受抑制标记影响。这些表观遗传变化调控了数百个基因，包括部分表观遗传调控因子，形成了ORC2不依赖局部结合的间接调控机制。此外，DNA结合的ORC2还能阻止CTCF在基因组特定位点的结合，从而调控染色质环结构并间接影响表观遗传状态。

【ORC2依赖的染色质可及性变化】
通过ATAC-seq分析发现，ORC2缺失导致11,206个区域可及性增加，3,640个区域可及性降低。其中约9,278个可及性增加位点和2,311个可及性降低位点在ORC2恢复后被逆转。这些ORC2调控的位点显著富集于增强子区域，提示ORC2特异性调控增强子功能。有趣的是，可及性增加的区域(ATAC-up)在ORC2缺失细胞中显示H3K9me3和H3K27me3信号显著降低，而可及性降低区域(ATAC-down)则略有增加，表明ORC2介导的染色质压缩部分是通过这些抑制性标记实现的。

【基因表达与表观遗传的关联】
RNA-seq分析显示ORC2缺失导致1,250个基因表达上调和541个基因下调。表达上调的基因中有66%在ORC2恢复后逆转，而下调基因的逆转比例较低。这种模式与ATAC-seq变化高度一致，基因表达变化幅度与TSS区域染色质可及性变化显著相关。通路分析发现ORC2抑制上皮细胞分化相关基因，同时激活细胞周期进程、DNA和染色质调控相关基因。值得注意的是，ORC2通过调控染色质重塑因子CHD7和转录因子NFIA的表达，建立了不依赖局部ORC2结合的间接调控网络。

【亚基特异性调控模式】
令人惊讶的是，ORC1和ORC5缺失导致的染色质可及性和基因表达变化与ORC2显著不同。ORC1缺失对染色质可及性和基因表达的影响较为均衡，而ORC5缺失的影响最小。三个缺失株系间的重叠调控位点极少，表明各ORC亚基在基因组中具有独立的调控领域。这种特异性调控模式与ChEC-seq揭示的亚基结合模式一致：ORC2和ORC5共同结合约22,000个位点，而ORC1仅与少量位点(约500个)共结合。

【三维基因组结构的调控】
Hi-C分析显示ORC2缺失导致740个区室从A(开放)转变为B(闭合)，104个从B转变为A。这些区室变化与局部ORC2结合和H3K9me3变化相关。更显著的是，ORC2缺失导致5,561个染色质环增强和529个环减弱。新增的染色质环(loop-up)长度大于减少的环(loop-down)，且ORC2结合位点显著富集于loop-up区域附近。机制上，ORC2通过维持局部染色质压缩状态阻止CTCF结合，从而调控环锚定点的选择。在NFIA和CHD7基因座，ORC2缺失导致新CTCF位点出现，改变染色质环模式，进而影响基因表达和表观遗传状态。

【讨论与意义】
这项研究突破了ORC仅作为复制起始因子的传统认知，揭示了其亚基在表观遗传调控中的广泛作用。ORC2通过双重机制调控染色质状态：既可通过招募抑制复合体(如PRC2)促进异染色质形成，又能通过竞争性抑制CTCF结合维持染色质开放状态。各ORC亚基的独立DNA结合能力使其能够特异性调控不同基因组区域和基因网络。这些发现为理解发育和疾病中表观遗传失调提供了新视角，也为靶向ORC的治疗策略开发奠定了理论基础。