*本研究所使用的靶向表觀基因組編輯技術由賽業生物提供

染色質的3D結構會隨著細胞的生活周期而變化，對我們人體的健康和疾病發生產生重要的影響。近年來隨著新技術的發展，科學家們發現染色質折疊讓一些DNA片段彼此靠近并發生互作，他們將這樣的區域稱為拓撲相關結構域TAD。大腦中TAD結構與神經精神疾病的患病風險息息相關，但這一研究領域仍存在許多未解之謎。

來自西奈山伊坎醫學院(ISMMS)的一組研究人員發表了題為“The methyltransferase SETDB1 regulates a large neuronspecific topological chromatin domain”的文章，通過細胞類型特異性3D基因組圖譜，靶向表觀基因組編輯（由賽業生物提供）等技術手段，識別出了一種能幫助基因組免受CTCF過度結合的SETDB1依賴性“盾牌”，細胞如果丟失這個“盾牌”，就會窗戶下獨特的位點特異性表觀遺傳漏洞，導致兆級規模的高階染色質崩塌（chromatin collapse）。

這一研究成果公布在Nature Genetics雜志上，由西奈山伊坎醫學院精神病學家Schahram Akbarian領導完成。這位學者曾參與研究指出，在不同的大腦區域，甲基化的模式存在差異，這意味著表觀遺傳學因素參與了大腦功能的形成與劃分。這些甲基化模式在不同種族、年齡或性別的人群中都得到了證明。

TADs是什么？

人類基因組包含大約20,000個蛋白質編碼基因。令人驚訝的是，只有一毫米長的秀麗隱桿線蟲（C.elegans），擁有幾乎跟人類相同數量的基因，但卻與人類的生物復雜性不同。這是因為人類能夠更好地發揮其遺傳潛力，首先通過修改基因產物，其次通過使用具有不同功能的相同基因。延伸閱讀：PLOS：線蟲發育時序的關鍵調節因子。

這需要高度的調控，因為身體的每個細胞都含有相同的遺傳信息。科學家估計，人類基因組中大約有40%致力于基因調控。然而，目前尚不清楚它是如何確保“哪個調控因子影響——或不影響哪個基因”。TADs——拓撲相關結構域，在這方面發揮了關鍵作用：TAD是DNA片段，在其中DNA形成了包含組蛋白、調節蛋白和轉錄因子的大型三維結構。每個TAD包含一個或多個基因連同其所有的調控元件。它們的結構在進化上是保守的，可能存在于不同的細胞類型以及各種物種中。哺乳動物基因組在細胞核中形成了許多megabase級的拓撲相關結構域TAD。破壞TAD會影響長距離基因調控，引起致病性的表型。舉例來說，破壞TAD結構的DNA刪除、倒置或者重復能夠導致人類肢體畸形。

研究表明，大腦中也存在TAD結構，并且神經精神疾病風險的全基因組關聯研究表明TAD與大腦相關疾病存在一定的關聯，但是具體的調控機制尚不清楚。

在這篇文章中，研究人員發現一組superTADs亞集的神經元維護需要SETDB1（也被稱為ESET或KMT1E），這是一種組蛋白H3 Lys9甲基轉移酶。研究表明Setdb1（Kmt1e）能廣泛調控干細胞中的逆向元件抑制（retroelement suppression）和轉錄沉默。研究人員通過細胞類型特異性3D基因組圖譜，靶向表觀基因組編輯等技術手段，識別出了一種能幫助基因組免受CTCF過度結合的SETDB1依賴性“盾牌”，細胞如果丟失這個“盾牌”，就會窗戶下獨特的位點特異性表觀遺傳漏洞，導致兆級規模的高階染色質崩塌（chromatin collapse）。

靶向表觀基因組編輯

研究人員為了了解SETDB1的甲基化水平對CTCF結合位點的影響，通過靶向表觀基因組編輯分析了cPcdh位點，他們采用的是一個叫做SunTag的技術。SunTag實質上是一套分子掛鉤，其能夠將多個拷貝的生物活性分子掛到可用來靶向一些基因或其他的分子的蛋白質支架上。相比于沒有這些掛鉤的組裝分子，整合了SunTag的分子生物活性顯著放大。

整合了SunTag的CRISPR分子可用于精確地控制基因組內大量基因的表達，研究人員利用這一技術發現SETDB1依賴的環結構可以繞過0.2-1 Mb線性基因組，并從TADcPcdh條紋輻射到cPcdh基因座內的順式調控序列，抵消較短范圍的啟動子-增強子接觸造成的影響。

研究表明SETDB1抑制復合物包含了多個KRAB鋅指蛋白，能保護神經元基因組免受過量CTCF結合的影響，并且對于TADcPcdh的結構維持至關重要。

下一步，研究人員將分析神經元中Setdb1的過量表達，以及其它的cPcdh基因表達的調控蛋白的丟失是否會啟動神經元中的TAD特異性3D基因組改變。

我們人體的每個染色體都有數以百計的TAD結構，分析“TAD通過TAD”，以及通過細胞類型特異性方式揭示腦細胞中高階染色質的調控機制，是一項令人興奮，且具有挑戰性的任務。

原文標題：

The methyltransferase SETDB1 regulates a large neuronspecific topological chromatin domain.Received 3 February;accepted 5 June;published online 3 July 2017;doi:10.1038/ng.3906