RNA聚合酶II与黏连蛋白协同调控酵母基因组三维结构的分子机制

本研究针对真核生物基因组三维结构中转录与黏连蛋白(SMC)复合物的相互作用机制这一关键科学问题，通过酿酒酵母模型系统揭示了RNA聚合酶II(RNA Pol II)在染色质环形成中的双重作用：既能独立于SMC复合物诱导长程DNA环，又可作为动态屏障调控黏连蛋白介导的环扩展。研究发现转录激活不仅产生独立的染色质结构域(TIDs)，还会重新定位黏连蛋白至基因3'端，为理解基因表达与染色体高级结构的互作提供了新范式。

在真核细胞中，基因组的三维空间组织与基因表达调控、DNA复制和染色体分离等基本生命过程密切相关。然而，作为塑造染色体结构的两个核心要素——转录机器和结构维持染色体(SMC)复合物——它们之间的相互作用机制仍存在诸多未解之谜。特别是在缺乏哺乳动物CTCF蛋白的酵母等简单真核生物中，转录过程如何影响黏连蛋白(cohesin)介导的DNA环形成，一直是领域内的研究热点。

法国巴斯德研究所(Institut Pasteur, CNRS UMR 3525, Université Paris Cité)的Christophe Chapard等研究人员在《Cell Genomics》发表的研究，通过精巧的遗传学设计和多维组学分析，系统解析了RNA Pol II与黏连蛋白在酿酒酵母染色体折叠中的协同与拮抗作用。研究团队综合运用温度敏感突变体、锚定清除技术(anchor-away)和Hi-C三维基因组分析，结合时间分辨的染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)，揭示了转录活动对基因组空间组织的多层次调控机制。

关键技术方法包括：(1)利用温度敏感型Pds5-101突变体和雷帕霉素诱导的RNA Pol II清除系统，研究转录缺失条件下的染色体构象变化；(2)通过雌激素诱导的GAL基因激活系统，在同步化细胞中分析转录爆发对染色质环的影响；(3)采用辅助蛋白降解(AID)系统实现SMC复合物的快速降解，验证RNA Pol II介导结构的独立性；(4)基于Micro-C的高分辨率染色质互作图谱定量分析，结合Chromosight算法进行全基因组环状互作检测。

RNA Pol II非黏连蛋白依赖性环扩展的必需因素

通过温度敏感型pds5-101突变体结合RNA Pol II亚基(Rpb1/Rpb3)的锚定清除实验发现，即使在RNA Pol II被清除的条件下，黏连蛋白仍能驱动长达数百kb的DNA环扩展。Hi-C接触图谱显示，RNA Pol II的缺失导致着丝粒(CEN)成为唯一的环锚定点，证实转录活动主要影响环锚定的定位而非扩展过程本身。

转录独立诱导染色质结构域和DNA环

雌激素诱导GAL7-10/1基因簇激活后，研究人员观察到两类特征性结构：(1)转录诱导域(TIDs)表现为基因两侧的接触边界；(2)长程环状互作将活跃转录位点与远端RNA Pol II富集区相连。这些结构在黏连蛋白(cohesin)、凝缩蛋白(condensin)和Smc5/6复合物缺失条件下依然存在，且能跨越着丝粒形成，显著区别于黏连蛋白介导的臂内环。

转录干扰黏连蛋白依赖性环的建立

在G1期激活转录后进入S期的实验中，活跃的GAL7-10/1基因区阻碍了邻近黏连蛋白环的形成，导致特征性的条纹状互作模式消失。全基因组分析显示，黏连蛋白倾向于在共线性基因的3'端积累，这种重定位与基因相对取向无关，表明转录机器可直接调控黏连蛋白的分布格局。

转录作为半通透屏障调控环扩展动力学

通过Pds5-AID降解的时间过程实验发现，预先激活的GAL基因能延缓但不完全阻断着丝粒环(CEN loops)的扩展。4C样分析显示，转录活跃区首先成为新环的锚定点，随后才允许黏连蛋白跨越该区域继续延伸，证实RNA Pol II是动态可逾越的移动屏障。

这项研究建立了转录与染色体结构调控的整合模型：RNA Pol II通过三种并行机制塑造基因组三维组织：(1)独立形成TIDs和长程基因间环；(2)重定位黏连蛋白至基因3'端；(3)作为可逾越屏障调控黏连蛋白环扩展动力学。这些发现不仅解决了关于"转录是否推动黏连蛋白移动"的长期争议，还为理解高等生物中CTCF非依赖性的基因组组织机制提供了新视角。特别值得注意的是，研究揭示的RNA Pol II介导的基因间远程互作，可能为解释增强子-启动子通讯的进化起源提供了线索。该成果对染色体结构异常相关疾病(如黏连蛋白病)的机制研究具有重要启示。