真核生物的基因組DNA以復(fù)雜而有序的層級結(jié)構(gòu)折疊于細(xì)胞核中，包括：遠(yuǎn)距離染色質(zhì)環(huán)、拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（TAD）、染色質(zhì)區(qū)室和染色質(zhì)疆域等。這些染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化與細(xì)胞命運(yùn)決定以及疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。CCCTC結(jié)合因子（簡稱CTCF）最初被報道作為絕緣子結(jié)合蛋白發(fā)揮作用。另外，CTCF作為染色質(zhì)架構(gòu)蛋白在調(diào)節(jié)染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)中同樣發(fā)揮重要的功能。姚紅杰課題組前期在CTCF的分子生物學(xué)功能研究方面取得了一系列進(jìn)展，包括篩選CTCF的共定位因子、鑒定CTCF可變剪切體并解析其分子細(xì)胞功能、CTCF調(diào)控染色質(zhì)絕緣和染色質(zhì)開放協(xié)同調(diào)控體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞等。此外，臨床研究發(fā)現(xiàn)CTCF基因突變與多種發(fā)育障礙疾病相關(guān)，如智力發(fā)育遲緩、自閉癥譜系障礙和先天性心臟病等。CTCF精氨酸567突變?yōu)樯彼幔≧567W）的臨床表現(xiàn)為智力障礙、喂養(yǎng)困難，并伴隨自閉癥樣等特征。然而，CTCF-R567W突變導(dǎo)致這些復(fù)雜發(fā)育異常的分子機(jī)制仍不清楚。

2024年7月1日，姚紅杰研究團(tuán)隊在Nature communications（《自然通訊》）期刊上發(fā)表了題為CTCF mutation at R567 causes developmental disorders via 3D genome rearrangement and abnormal neurodevelopment的研究論文。該研究綜合運(yùn)用小鼠模型和人源類器官模型，揭示了染色質(zhì)架構(gòu)蛋白CTCF的R567W點(diǎn)突變通過調(diào)控CTCF在染色質(zhì)上的結(jié)合和局部三維基因組結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育障礙的分子機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)為理解CTCF突變導(dǎo)致臨床發(fā)育疾病提供了重要見解。

研究團(tuán)隊首先在小鼠模型中引入CTCF-R567W點(diǎn)突變，以模擬其對發(fā)育的影響。結(jié)果顯示，CTCF-R567W雜合突變小鼠除了幼年時期的瘦小表型外，與野生型小鼠相比沒有明顯異常，未能很好地模擬臨床雜合病例的神經(jīng)發(fā)育障礙行為表型；而攜帶純合CTCF-R567W突變的小鼠在出生30分鐘內(nèi)死亡，并表現(xiàn)出大腦、心肺組織的發(fā)育異常。研究團(tuán)隊對純合突變小鼠進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)純合突變導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育和突觸通路紊亂，并揭示純合突變導(dǎo)致神經(jīng)祖細(xì)胞和放射狀膠質(zhì)細(xì)胞等干性細(xì)胞過早耗竭，而抑制性GABA能神經(jīng)元加速發(fā)育。

研究團(tuán)隊同時將CTCF-R567W突變引入人胚胎干細(xì)胞（hESCs）中，并構(gòu)建了大腦皮質(zhì)類器官模型。研究人員發(fā)現(xiàn)攜帶雜合突變的類器官在分化早期表現(xiàn)出神經(jīng)祖細(xì)胞減少和GABA能神經(jīng)元增加，具有與小鼠模型類似的神經(jīng)發(fā)育失衡現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)與近期在多個自閉癥風(fēng)險基因的皮質(zhì)類器官研究中的報道結(jié)果相一致，表明CTCF突變可能與自閉癥風(fēng)險因子通過共享的細(xì)胞發(fā)育通路誘發(fā)神經(jīng)發(fā)育障礙。

在分子機(jī)制層面上，該研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)CTCF-R567W突變減弱了CTCF在染色質(zhì)上部分位點(diǎn)的結(jié)合（尤其是在具有上游結(jié)合基序特征的位點(diǎn)）。這種結(jié)合減弱進(jìn)一步導(dǎo)致了局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重組（特別是在對神經(jīng)元身份識別和神經(jīng)回路組裝至關(guān)重要的成簇原鈣黏蛋白（cPcdh）基因座）。該基因座由Pcdhα、Pcdhβ和Pcdhγ三個基因簇構(gòu)成。CTCF-R567W突變主要導(dǎo)致Pcdhβ基因簇多個基因啟動子上的CTCF結(jié)合減弱，并通過降低遠(yuǎn)距離啟動子與增強(qiáng)子相互作用進(jìn)而改變了cPcdh基因座的染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)，使該基因座TAD結(jié)構(gòu)發(fā)生分裂，同時伴隨著Pcdhβ基因的全局性表達(dá)下調(diào)，而這些基因的表達(dá)異常與神經(jīng)發(fā)育及功能受損密切相關(guān)。

該研究闡明了CTCF-R567W突變的作用機(jī)制，揭示了CTCF-R567W突變與人類神經(jīng)發(fā)育障礙之間的聯(lián)系，對理解CTCF突變調(diào)節(jié)發(fā)育障礙的發(fā)病機(jī)制具有重要意義，并為進(jìn)一步探索基于三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控的干預(yù)方法奠定了基礎(chǔ)。

中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院為該論文第一完成單位。廣州國家實驗室姚紅杰研究員為該論文通訊作者。中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院博士后章杰博士、廣州實驗室副研究員胡功成博士、中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院博士生盧玉麗和山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生任華偉為該論文共同第一作者。該研究工作得到了來自廣州國家實驗室苗智超研究員、張煒研究員、馬寧研究員、劉會生研究員，暨南大學(xué)曲宜波教授，安徽醫(yī)科大學(xué)王華教授和張玲玲教授，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院潘光錦研究員以及山西農(nóng)業(yè)大學(xué)王海東教授的大力幫助。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。

論文鏈接

揭示染色質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白CTCF-R567W點(diǎn)突變導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育障礙的分子機(jī)制