SWI/SNF染色质重塑复合物通过CTCF与cohesin塑造三维染色质架构

《Nature》：SWI/SNF complexes shape 3D chromatin architecture through CTCF and cohesin

　　

BAF复合物（又称哺乳动物SWI/SNF染色质重塑复合物）是核小体定位（nucleosome positioning）与转录因子（transcription factor，TF）结合的关键调控因子。编码BAF复合物组分的基因所发生的功能缺失（Loss-of-Function，LOF）突变是各类癌症中最常见的突变之一。然而，能够解释其广泛功能缺失的统一机制仍不明确。在本研究中，研究人员通过多种哺乳动物细胞类型与组织的药理学抑制及ARID1A缺失破坏BAF功能，并观察到一种保守的染色质响应：CTCF结合位点处的染色质可及性（chromatin accessibility）增加。单独的ARID1A LOF即足以驱动这些变化，表明经典BAF（canonical BAF，cBAF）的破坏是CTCF增益（CTCF gain）的关键驱动因素。基因组分析显示CTCF与SMC3占据增加，揭示了cBAF与CTCF–cohesin复合物之间的拮抗性关系。此外，cBAF缺失重塑了三维基因组组织（3D genome organization），导致拓扑关联结构域（topologically associating domain，TAD）边界的强化以及大结构域向具有更强绝缘性的更小结构的亚区化。长程增强子–启动子环（enhancer–promoter loop）被更短的、锚定于CTCF富集位点的启动子邻近环（promoter-proximal loop）所取代。为确定cBAF缺失后CTCF功能如何被激活，研究人员对CTCF相互作用辅因子（cofactor）进行了分析，发现CTCF与完全组装的PBAF（polybromo-BAF complex）直接结合。在cBAF缺失后，PBAF被招募至CTCF占据增加的位点，这表明SWI/SNF各亚复合物之间存在拮抗性转换（antagonistic switch）。在体内（in vivo）实验中，条件性Arid1a缺失导致小鼠原代细胞中一个高增殖性群体扩增，该群体表现为CTCF位点可及性升高。该表型可被Ctcf或Pbrm1的缺失完全逆转，证实cBAF与CTCF及PBAF的活性具有相反作用。

BAF复合物（BAF complexes，又称哺乳动物SWI/SNF染色质重塑复合物）通过重定位或驱逐核小体调控转录、转录因子结合与DNA复制。编码其亚基的基因是肿瘤中最常突变基因之一，功能缺失（Loss-of-Function，LOF）突变几乎见于所有肿瘤类型，约20%的患者携带此类改变。然而，BAF功能缺失如何跨组织驱动恶性转化的统一机制始终未确立；除核小体定位外，BAF复合物是否参与三维基因组高阶结构调控、与CTCF及cohesin等架构蛋白的关系如何，亦属未明。基于其他染色质重塑因子参与染色质高级折叠的证据，研究人员提出假说：BAF功能紊乱可汇聚于三维基因组重塑这一统一机制，为不同BAF LOF突变跨多种组织类型驱动肿瘤发生提供解释。该论文发表于《Nature》。

研究人员综合运用ATAC-seq评估染色质可及性、CTCF/SMC3/PBRM1/BRD7/ARID1A的ChIP-seq检测蛋白占据、Micro-C解析三维基因组构象、免疫沉淀联合质谱（IP-MS）鉴定CTCF相互作用因子、CRISPR-Cas9基因编辑与dTAG降解系统，并结合单细胞多组学测序及小鼠条件性基因敲除模型开展验证。以药理学抑制剂FHD-286处理15株多组织来源的人源细胞系并构建ARID1A敲除株。样本队列主要来源于Arid1a、Ctcf与Pbrm1条件性敲除小鼠的生发中心B细胞（Ctcf^Het品系由G. Lauvau实验室馈赠），及BCL2过表达骨髓移植淋巴瘤模型。

研究结果如下。在BAF LOF opens CTCF sites across tissues方面：FHD-286处理24小时后，CTCF基序在21个细胞系中的20个开峰中显著富集，闭峰相关转录因子则具细胞类型特异性，该效应在鼠源细胞与原代生发中心B细胞中同样保守。在BAF loss increases CTCF–cohesin binding方面：ARID1A缺失后CTCF与cohesin核心亚基SMC3占据增加，而mRNA及CTCF蛋白水平不变，急性敲除CTCF可使93.5%的开峰恢复至野生型水平，核小体定位推断显示cBAF缺失使覆盖CTCF基序的核小体移位。在Acute ARID1A loss drives CTCF gain方面：在人胚胎干细胞中借助ARID1A dTAG降解系统，6小时内即出现CTCF位点可及性显著升高，CTCF ChIP-seq显示原有CTCF峰占据广泛增加而非新位点生成。在CTCF loss rescues ARID1A phenotypes方面：ARID1A与CTCF共改变患者总生存优于仅ARID1A改变者；小鼠胚胎成纤维细胞中Arid1a缺失促进增殖而共敲除Ctcf可恢复至近野生型水平，CTCF过表达可模拟该表型。在cBAF loss splits TADs via CTCF gain方面：Micro-C显示ARID1A缺失细胞TAD内接触增强、分裂频率高于合并或丢失，绝缘得分升高，长程增强子–启动子环被更短启动子邻近环取代。在CTCF binds PBAF but not cBAF方面：IP-MS及内切酶处理证实CTCF与完全组装的PBAF直接相互作用。在cBAF and PBAF have contrasting roles at CTCF sites方面：亚复合物特异性抑制实验表明抑制PBAF降低CTCF位点可及性，抑制cBAF或降解ncBAF（非经典BAF）则提高CTCF基序富集，敲除PBAF亚基ARID2可部分逆转TAD强化与连通性增益。在ISWI and PBAF enable CTCF gain方面：敲除ISWI催化亚基SMARCA5显著削弱ARID1A缺失细胞的CTCF基序可及性并消除其增殖优势。在Ctcf loss rescues Arid1a loss in mice方面：条件性Arid1a缺失导致生发中心暗区（dark zone，DZ）扩增伴CTCF位点可及性升高，Ctcf或Pbrm1缺失均可完全逆转，单细胞分析显示Arid1a缺失强化DZ程序而Ctcf缺失阻断DZ建立；时序实验表明CTCF可及性增益是cBAF缺陷肿瘤发生的最早染色质事件。

讨论部分认为，cBAF通过维持覆盖CTCF基序的核小体限制CTCF结合，cBAF减少时这一限制解除，CTCF得以结合DNA并激活先前沉默基因；cBAF缺失触发由拮抗性PBAF开关实现的CTCF功能获得程序，PBAF与ISWI协同促进CTCF结合、稳定CTCF–cohesin占据并强化TAD绝缘，CTCF继而引导cohesin加载、增强环挤出停滞并缩短环平均长度。研究结论揭示了SWI/SNF染色质重塑复合物间此前未被认识的相互作用对三维基因组结构的控制，为BAF LOF突变跨组织驱动肿瘤发生提供了统一机制；同时研究指出部分细胞类型未见显著变化，提示存在细胞背景依赖的修饰因子，且T细胞研究中PBAF缺失而非cBAF缺失增加CTCF富集的结果提示该拮抗性具有情境特异性。