RNA结合蛋白介导分化过程中染色质拓扑结构的成熟机制及其在神经发育中的调控作用

本研究揭示了RNA结合蛋白(RBP)与CTCF在胚胎干细胞(ES)向神经干细胞(NS)分化过程中的动态互作机制，发现长链非编码RNA Pantr1通过增强CTCF-RBP相互作用促进染色质环和拓扑关联域(TAD)边界的稳定性。研究人员利用CRISPR-Cas9基因编辑、Hi-C三维基因组分析和CTCF降解系统等技术，证实这种染色质结构成熟过程对抑制神经元基因的异常激活至关重要，为理解发育过程中表观遗传调控提供了新视角。

　　

在细胞命运决定过程中，染色质三维结构的动态变化一直是个未解之谜。特别是胚胎干细胞(ES)向神经干细胞(NS)分化时，拓扑关联域(TAD)边界和染色质环会逐渐增强，但这种结构成熟的分子机制及其功能意义尚不清楚。传统观点认为CTCF和黏连蛋白(Cohesin)复合物是染色质结构的核心组织者，但越来越多的证据表明RNA可能参与其中。这项发表在《Nature Cell Biology》的研究，首次系统揭示了RNA结合蛋白(RBP)和长链非编码RNA(lncRNA)如何协同调控染色质结构的动态变化。

研究人员综合运用了多种前沿技术：染色质免疫沉淀结合选择性分离染色质相关蛋白技术(ChIP-SICAP)分析蛋白质互作网络；CRISPR-Cas9构建Ddx5、Fus等基因敲除细胞系；Hi-C技术解析三维基因组结构；CTCF降解系统研究功能缺失效应；超分辨率显微镜(STED)观察CTCF簇分布；以及RNA荧光原位杂交(RNA-FISH)定位Pantr1的空间分布。实验样本主要来自小鼠胚胎干细胞(ES)及其分化的神经干细胞(NS)。

【ES-to-NS细胞转变伴随CTCF簇增强和CTCF-RBP互作增加】

研究发现NS细胞中CTCF形成更大的核内簇，拓扑数据分析(TDA)证实这种分布模式具有细胞类型特异性。通过ChIP-SICAP鉴定出208种与CTCF互作的染色质结合蛋白，其中RBPs在NS细胞中与CTCF的互作显著增强，包括Ddx5(增加1.8倍)和Fus(增加2.5倍)。邻近连接分析(PLA)验证了这一现象，且蛋白水平未改变，提示是特异性互作增强。

【RBPs维持谱系定型细胞的CTCF簇】

Ddx5或Fus敲除导致NS细胞中CTCF簇显著减少，但不影响ES细胞。急性降解Ddx5(dTAG13处理)同样破坏CTCF簇，证实其直接作用。ChIP-seq显示Ddx5缺失主要影响高占据CTCF位点的结合，这些位点具有更强的CTCF motif、更多CpG和G-四链体(G4q)形成倾向。

【Ddx5缺失削弱染色质结构】

Hi-C分析发现Ddx5敲除导致12,924个染色质环中约15%强度减弱，且CTCF结合减弱的位点多位于环锚点。绝缘评分分析显示Ddx5对TAD边界功能至关重要，特别是在IGF2-H19印记位点。

【lncRNA Pantr1调控CTCF-RBP互作】

Pantr1在NS细胞中表达显著上调，60%的Pantr1斑点与CTCF簇共定位。Pantr1敲除不影响CTCF水平，但显著减少CTCF-Ddx5/Fus互作。Hi-C显示Pantr1缺失导致A区室扩张、长程互作增加，同时减弱TAD边界和环结构。

【神经诱导增强CTCF绝缘功能】

急性降解CTCF发现NS细胞中更多基因被激活(而非ES细胞中的抑制)，这些基因邻近活跃增强子。基因组编辑证实CTCF位点1缺失导致Aldh1a3在NS细胞中异常激活(2.4倍)，验证了CTCF绝缘功能的获得。

这项研究揭示了发育过程中染色质结构成熟的分子机制：Pantr1 lncRNA介导CTCF-RBP互作增强，促进CTCF簇形成和染色质环稳定。这种结构变化在NS细胞中建立基因表达的时空屏障，防止神经元基因过早激活。该发现不仅解释了三维基因组动态调控的原理，也为神经发育障碍(如CTCF单倍剂量不足导致的精神发育迟缓)提供了分子层面的理解。特别值得注意的是，研究首次将RNA-RBP-CTCF三者功能关联，提出了"RNA支架招募RBP减缓黏连蛋白移动"的创新模型，为表观遗传调控领域开辟了新方向。