https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2015.11.013
Pre:
??基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)精確復(fù)雜，對細(xì)胞的生長，發(fā)育，分化至關(guān)重要！人們對于基因的初步認(rèn)識是線性的，它上面有編碼區(qū)，非編碼區(qū)。有啟動子，增強(qiáng)子，絕緣子等元件。在細(xì)胞核中，線性的DNA分子會折疊形成的高級結(jié)構(gòu)。在這個折疊的過程中，調(diào)控元件區(qū)域（如增強(qiáng)子，絕緣子等區(qū)域）會靠近啟動子區(qū)域從而導(dǎo)致基因表達(dá)上調(diào)。伴隨著3D基因組的不斷研究，發(fā)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)對于基因的表達(dá)調(diào)控有非常重要的作用。
??Q：為什么空間結(jié)構(gòu)對于基因的表達(dá)調(diào)控很重要呢？
????空間構(gòu)象發(fā)生了改變，導(dǎo)致啟動子和增強(qiáng)子等調(diào)控元件靠近，基因的表達(dá)發(fā)生了變化
????（圖片來源：基于Hi-C技術(shù)哺乳動物三維基因組研究進(jìn)展 DOI: 10.16288/j.yczz.18-317 ）
??在形成DNA折疊的過程中，有很多蛋白質(zhì)發(fā)揮了重要的作用。染色質(zhì)高度相互的domain（結(jié)構(gòu)域）被稱為 TADs（topologically associating domains）。很多的證據(jù)表明，這些TADs橫跨了很多domain（比如說DNA復(fù)制時期Domain，進(jìn)化重排domian等）。幫助TAD形成的蛋白，被稱為架構(gòu)蛋白（arichitecture protein， AP）當(dāng)把敲出這些架構(gòu)蛋白以后，基因的表達(dá)將會受到影響。具體一點(diǎn)，基因的表達(dá)調(diào)控和這些架構(gòu)蛋白的數(shù)量，蛋白的結(jié)合方向等有關(guān)系呢？這些成為了科學(xué)家們的關(guān)注重點(diǎn)。
??這篇文章主要是先回顧了果蠅和脊椎動物的架構(gòu)蛋白情況，然后討論了蛋白缺失后，對染色質(zhì)的互作和基因轉(zhuǎn)錄的影響。最后，討論了結(jié)構(gòu)蛋白對3D基因組模型的作用（從架構(gòu)蛋白的量，性質(zhì)和結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)合的方向角度出發(fā)）
1：架構(gòu)蛋白（Architectural protein）
??在哺乳動物中，CTCF(CCCTC-bing factor)蛋白是主要被研究的架構(gòu)蛋白。但是在果蠅里面，有很多結(jié)構(gòu)蛋白被研究的很清楚了，如Associated Factor 32 (BEAF-32), Suppressor of Hairy-wing [Su(Hw)], Transcription Factor IIIC (TFIIIC), Z4 (also called Putzig), Insulator binding factor 1 and 2 (Ibf1 and Ibf2), Pita,Zn-finger Protein Interacting with CP190 (ZIPIC) 。當(dāng)這些結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)合到蛋白結(jié)合位點(diǎn)以后。會招募一系列相關(guān)的蛋白如（CP190, Modifier of mdg4 [Mod(mdg4)], Rad21, CAP-H2,等等）。他們會形成一個復(fù)合物。被稱為APBS（位點(diǎn)+架構(gòu)蛋白+結(jié)合因子）
??在哺乳動物中，CTCF和cohesin這兩個架構(gòu)蛋白最主要。除了這兩個以外，還有別的比如說YY1,TFIIIC(果蠅)等。還有一些轉(zhuǎn)錄因子（POZ-Zn fingre, MAZ,ZNF143等等）對染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)有一定的作用。一些鋅指結(jié)構(gòu)的蛋白通過識別一些特殊的位點(diǎn)對高級結(jié)構(gòu)也有一定的影響。
2：通過架構(gòu)蛋白介導(dǎo)遠(yuǎn)距離互作
??通過Hi-C和ChIA-PET實(shí)驗(yàn)，可以在不同的細(xì)胞系上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CTCF和cohesin在TAD的邊緣富集。但是很多證據(jù)表明，在哺乳動物中，不僅僅是通過CTCF和cohesin去介導(dǎo)遠(yuǎn)距離相互作用，在GM12878中，只有30%的互作是由CTCF介導(dǎo)的，54%的互作只有一邊有CTCF。此外，還有Rad21/smc1a（cohesin復(fù)合物亞基）介導(dǎo)的遠(yuǎn)距離互作也只有41%、35%。Znf143, YY1, 和 TFIIIC，一些tRNA 基因，SINE元件都可以在遠(yuǎn)距離調(diào)控上發(fā)揮作用。
??在細(xì)胞的分化中，TAD的形成還是很穩(wěn)定的，但是架構(gòu)蛋白的結(jié)合位點(diǎn)是靈活的。有意思的是CTCF的在全基因組上的位點(diǎn)是保守的。而且，一些多能轉(zhuǎn)錄因子。比如說Oct4,Nanog,Klf4等，如果把這些多能轉(zhuǎn)錄因子敲除，導(dǎo)致了細(xì)胞內(nèi)多能行的染色質(zhì)互作減少。說明，多能轉(zhuǎn)錄因子對的啟動子-增強(qiáng)子的互作有一定的影響，可以幫助招募cohesin,從某種程度上來說，可以穩(wěn)定interaction。
3：架構(gòu)蛋白的刪除可以導(dǎo)致異位染色質(zhì)接觸（ectopic chromatin interactions ）影響轉(zhuǎn)錄
??通過RNAi的方法，把CTCF敲除，通過Hi-C可以看到TAD內(nèi)部的互作減少，TAD之間的互作增加了。舉個例子，當(dāng)把X染色體上的CTCF的區(qū)域刪掉（58Kb）導(dǎo)致了染色質(zhì)間的相互作用增強(qiáng)了。此外，用CRISPER-Cas9技術(shù)，可以特定區(qū)域的CTCF敲除，比如把Hoxa6（活躍表達(dá)）和Hoxa7（沉默）的CTCF敲除，發(fā)現(xiàn)Hoxa7的基因被激活而且通過4C技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一個新的相互作用。此外，還有通過把TAD邊界的CTCF刪除導(dǎo)致多指癥的情況，都說明CTCF作用非常重要。
4 占據(jù)的位置可能決定了其功能----建立特殊的3D結(jié)構(gòu)
APBS占據(jù)比較少的地方，可能是sub-TAD的邊界或者是TAD互作弱的地方。當(dāng)APBS占據(jù)比較多的地方（strong border）顯示TAD的界限明晰
??在TAD的界定上，一直是基于它們的相互作用的強(qiáng)弱來看的。TAD（熱圖）顯示了染色質(zhì)互作之間的接觸頻率。為了明確TAD/sub-TAD,界定一個border是非常必要的。TAD的APBS的強(qiáng)度高sub-TAD，除了CTCF，還有一些CTCF的同源蛋白BORIS等，和CFCF會共定位在一些位點(diǎn)上。幫助形成3D結(jié)構(gòu)
5：架構(gòu)蛋白的方向指導(dǎo)了loop的形成
??哺乳動物中，高級結(jié)構(gòu)的形成依賴于CTCF的結(jié)合方向，但是在果蠅中沒有這種情況出現(xiàn)。在哺乳動物中，絕大部分的CTCF的方向是相對的。（90%，GM12878數(shù)據(jù)）而且在其他的細(xì)胞系中也觀察到了類似的情況。 但是也有同向的CTCF，比如說在小鼠中， Igh 位置上， intergenic control region1 (IGCR1)有反向的CTCF，它需要依賴于其他的同向的CTCF構(gòu)成loop。這種反向CTCF形成loop的模式在斑馬魚，小鼠等其他物種是保守的。
??在人protocadherin（Pcdh）基因簇中，CTCF在調(diào)節(jié)增強(qiáng)子-啟動子選擇中起重要作用。因?yàn)樗S機(jī)負(fù)責(zé)Pcdh的表達(dá)情況。（既然CTCF那么重要，如果把一些特定的CTCF敲除會如何？）當(dāng)把CTCF敲出以后，在用4C去看圖譜的時候發(fā)現(xiàn)，相向的CTCF會受到影響。（同向和反向的不會）
6：loop 擠壓模型解釋了CTCF的方向性對LOOP的形成作用
??一個比較有意思的問題是這些CTCF是如何作用于3D結(jié)構(gòu)的形成的呢？有2種解釋的模型機(jī)制。
模型一：當(dāng)cohesin結(jié)合上去的時候，會擠壓DNA形成環(huán)，慢慢伴隨著cohesin的移動，這個環(huán)會形成。直到遇到了兩個相向的CTCF。就停止了
模型二：當(dāng)CTCF結(jié)合到了特定的DNA序列上時就導(dǎo)致了DNA開始扭曲成環(huán)，然后慢慢移動，直到碰到了相向的CTCF環(huán)，此外，這個模型是不能夠去解釋同向的CTCF成環(huán)情況。
當(dāng)然，這兩個模型未被完全證實(shí)，還存在一些缺陷。需要更多的試驗(yàn)機(jī)制去證明和實(shí)現(xiàn)。
Last:
??在哺乳動物中，CTCF和cohesin到底是如何形成高級結(jié)構(gòu)，如何去調(diào)控的呢？機(jī)制未明，有待發(fā)現(xiàn)！
