染色質的三維結構被劃分為不同的層次單位，包括染色質疆域、A/B區(qū)室、拓撲學相關結構域（TADs）、增強子-啟動子環(huán)等。盡管相關研究已經(jīng)進行了數(shù)十年，但是染色質結構的建立、維持和調控的分子機理仍然不完整。其中，染色質相關調控因子的發(fā)現(xiàn)是研究染色質三維結構調控機理的瓶頸之一。

2023年6月2日，北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心季雄課題組在Nucleic Acids Research雜志上在線發(fā)表了題為“Multiomic analysis of cohesin reveals that ZBTB transcription factors contribute to chromatin interactions”的研究論文，文中對染色質結構起著關鍵性調控作用的Cohesin蛋白復合體進行了蛋白質組學分析，并確定了與Cohesin復合體相關的轉錄因子、RNA結合蛋白和染色質調節(jié)因子。隨后，論文對蛋白質組結果進行驗證和進一步研究，通過蛋白質瞬時降解系統(tǒng)，揭示了ZBTB轉錄因子蛋白家族可以調控Cohesin在染色質上的結合，并且可以調控三維染色質之間的相互作用和轉錄抑制，為研究染色質結構調控機理研究提供了新的線索。

由于Cohesin復合體在三維染色質結構調控中扮演著關鍵角色，因此研究者從這一點入手，首先使用小鼠胚胎干細胞（mESCs）、黑色素瘤細胞（B16）和B淋巴細胞（CH12F3）完成了Cohesin的染色質相關蛋白質組學研究，鑒定了Cohesin調控相關的轉錄因子、RNA結合蛋白和染色質調節(jié)因子等。其中，在近幾年的報道的CTCF、WIZ、YY1等轉錄因子都被在質譜中鑒定到（圖1）。因此，本研究中的Cohesin互作蛋白質組，在三種不同細胞中鑒定到的ZBTB21蛋白引起了關注，并推測其可能是一種新的染色質結構調控因子。于是，研究者選擇了ZBTB21為進一步研究對象，利用蛋白瞬時降解系統(tǒng)對其進行短時長的體內(nèi)蛋白質瞬時降解，完成了ChIP-seq、RNA-seq和Chromatin RNA-seq等相關實驗，證明了ZBTB21的降解可以削弱Cohesin和其招募因子NIPBL在染色質上的結合，并且同時還檢測出了其對轉錄調控的影響，發(fā)現(xiàn)了ZBTB21的轉錄抑制功能。

圖1. 不同細胞類型的Cohesin相關蛋白質組鑒定到的一系列潛在調控因子

進一步，研究者利用本實驗室前期開發(fā)的BAT Hi-C技術，檢測了ZBTB21對于染色質高級結構的影響，發(fā)現(xiàn)ZBTB21被降解后染色質之間的相互作用可以增強，這一現(xiàn)象通過4C-seq也得到了進一步的驗證。并且，在結構有變化的位置，Cohesin在染色質上的結合和Pol II在染色質上的結合也都有明顯的變化，證明了ZBTB21對于轉錄抑制和染色質高級結構的調控作用（圖2）。

圖2. ZBTB21對于染色質高級結構的調控作用

最后，由于哺乳動物ZBTB蛋白家族有40個以上的成員，研究者推測除了ZBTB21以外的其他成員也可能參與類似的調控。于是，研究者再次利用蛋白質瞬時降解系統(tǒng)，降解了另一個ZBTB蛋白-ZBTB7B，發(fā)現(xiàn)其同樣對Cohesin在染色質上的結合產(chǎn)生影響，并且在體內(nèi)同時降解ZBTB21和ZBTB7B，這種影響作用會進一步加強。因此，本研究認為ZBTB蛋白可以調控Cohesin在染色質上的結合，并且可以對染色質高級結構的調控作出貢獻。本研究為染色質結構研究提供了新的調控因子。

圖3. ZBTB轉錄因子調控染色質高級結構的工作模型

季雄為該論文的通訊作者。生命科學學院的博士后王蕊和博士生許杞欽為該論文的共同第一作者。北京大學生命科學學院王晨璐博士（已畢業(yè)）、田凱博士（已出站）和王輝博士為該工作提供了重要幫助。

近日季雄研究員受邀于Transcription雜志發(fā)表了題為“Never a dull enzyme, RNA polymerase II”的綜述文章。RNA聚合酶II（Pol II）由12個亞基組成，在細胞核內(nèi)合成mRNA。Pol II被廣泛認為是被動的全酶，作為一個整體發(fā)揮功能，其亞基的分子功能很大程度上被忽略。季雄課題組利用生長素誘導的蛋白質瞬時降解標記（Auxin Inducible Degron, AID）技術和多組學分析揭示了Pol II的亞基對不同的轉錄和轉錄后過程有不同的貢獻，從而實現(xiàn)了其功能的多樣性。通過協(xié)調不同亞基來調節(jié)這些過程，Pol II可以優(yōu)化其在不同生物功能上的活性（optimized polymerase, OPPO）。該篇綜述全面歸納了Pol II的12個亞基的非經(jīng)典功能（圖4），以及這些亞基突變和表達紊亂對疾病的影響（圖5）。文章還回顧了季雄課題組近幾年在Pol II亞基非經(jīng)典功能、Pol II凝聚體以及RNA聚合酶I、II、III在染色質三維結構功能調控和RNA聚合酶交互調控關系和機制所取得的一系列研究進展。

圖4. Pol II亞基的非經(jīng)典功能總結

圖5. Pol II亞基突變和表達紊亂與相關疾病的概覽

季雄是本文的通訊作者。北京大學生命科學學院黃捷博士為本論文第一作者、共同通訊作者，負責了文章撰寫。

圖6. Pol II CTD, CTCF DBD體外凝聚體形成實驗和定量方案

此外，該團隊在STAR Protocols雜志發(fā)表了題為“Droplet formation assay for investigating phase-separation mechanisms of RNA Pol II transcription and CTCF functioning”的文章，研究了Pol II CTD、CTCF的DNA結合結構域在體外液滴形成的實驗和定量分析方法（圖6）。季雄是本文的通訊作者。王輝為本論文第一作者和共同通訊作者，負責了文章撰寫，周蓉博士（已畢業(yè)）是共同第一作者。

這些工作得到北大-清華生命科學聯(lián)合中心、啟東創(chuàng)新基金、細胞增殖與分化教育部重點實驗室、科技部國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的資助。

來源：北京大學