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https://www.nature.com/articles/s41467-024-47048-3

染色质三维结构在真核生物中具有重要的生物学功能【1】，CTCF是调控染色质三维结构的核心因子，它的染色质结合对于染色质三维结构的调控至关重要【2】。已有研究表明DNA甲基化、RNA结合、蛋白质-蛋白质相互作用等因素可影响CTCF的染色质结合【3-5】。但调控CTCF染色质精确结合的机制还未完全解析清楚。中山大学丁俊军教授长期关注CTCF与染色质三维结构调控机制的研究。2021年，丁俊军实验室在Cell Stem Cell杂志报道转录因子OCT4可抑制CTCF的染色质结合【5】。此后，该实验室首次揭示相分离消失和重建过程全面调控染色质三维结构的规律，并且发现通过1,6-hex破坏相分离会导致CTCF的染色质结合上升【6】。2022年，该实验室再次报道RYBP依赖的相分离可调控CTCF的染色质结合，进而介导A-compartment间的互作【7】。在此基础上，丁俊军实验室进一步探究是否还存在其他因素可以影响CTCF的染色质结合进而调控染色质三维结构。

翻译后修饰 (Post-Translational Modifications，PTMs) 使蛋白质共价结合小分子或多肽，从而增加蛋白质功能的多样性【8】。CTCF目前已知的翻译后修饰数目远远小于预测的数目，同时翻译后修饰对CTCF染色质结合以及对染色质三维结构的影响，至今鲜有报道。

近日，丁俊军实验室在Nature Communications发表了题为The PTM profiling of CTCF reveals the regulation of 3D chromatin structure by O-GlcNAcylation的研究成果。该研究首次系统解析CTCF的翻译后修饰图谱，发现CTCF具有糖基化修饰和精氨酸甲基化修饰，并揭示了糖基化修饰可通过抑制CTCF的染色质结合调控染色质三维结构。

为了系统地鉴定CTCF的翻译后修饰图谱，研究人员纯化全长的CTCF蛋白并进行质谱实验，结果表明除了已报道的磷酸化和乙酰化修饰外，CTCF还可被糖基化修饰和精氨酸甲基化修饰。其次，研究人员发现糖基化修饰在多种器官中普遍存在，相比于体细胞，CTCF的糖基化修饰在胚胎干细胞中含量更高。

图一 CTCF翻译后修饰图谱（红色为新发现的修饰，灰色为已知修饰）

为了探究糖基化对CTCF功能的影响，研究人员对比修饰缺失前后CTCF的染色质结合能力和染色质三维结构变化。结果显示糖基化抑制CTCF在发育相关基因启动子的染色质结合，抑制发育相关的增强子-启动子互作，而促进细胞周期相关的增强子-启动子相关互作。

相比于体细胞，CTCF糖基化修饰在干细胞中更富集，为了探究CTCF的糖基化修饰对干细胞功能的影响，研究人员比较修饰缺失前后小鼠胚胎干细胞的表型，发现修饰缺失抑制小鼠胚胎干细胞的自我更新。同时发现，修饰缺失抑制小鼠胚胎干细胞向神经祖细胞分化。

图二 CTCF 通过糖基化调控染色质三维结构影响胚胎干细胞的自我更新和分化

综上所述，该研究系统解析CTCF的翻译后修饰图谱，首次发现CTCF具有糖基化修饰和精氨酸甲基化修饰，并揭示了糖基化修饰调控CTCF的染色质结合和染色质三维结构。为理解CTCF染色质的精确结合提供新的理论依据，为进一步研究CTCF如何调控细胞特异的染色质三维结构提供了重要的理论基础。

中山大学丁俊军实验室唐秀晓博士和曾彭归航博士生为本文的共同第一作者。中山大学丁俊军教授、华中农业大学苗义良教授和中山大学附属第三医院许成芳主任医师等为该论文的共同通讯作者。

参考文献

1. Lupianez, D.G. et al. Disruptions of topological chromatin domains cause pathogenic rewiring of gene-enhancer interactions. Cell 161, 1012-1025 (2015).

2. Ong, C.T. & Corces, V.G. CTCF: an architectural protein bridging genome topology and function. Nat Rev Genet 15, 234-46 (2014).

3. Bell, A.C. & Felsenfeld, G. Methylation of a CTCF-dependent boundary controls imprinted expression of the Igf2 gene. Nature 405, 482-485 (2000).

4. Sun, S. et al. Jpx RNA Activates Xist by Evicting CTCF. Cell 153, 1537-1551 (2013).

5. Wang, J. et al. Phase separation of OCT4 controls TAD reorganization to promote cell fate transitions. Cell Stem Cell 28, 1868-+ (2021).

6. Liu, X. et al. Time-dependent effect of 1,6-hexanediol on biomolecular condensates and 3D chromatin organization. Genome Biol 22, 230 (2021).

7. Wei, C. et al. CTCF organizes inter-A compartment interactions through RYBP-dependent phase separation. Cell Res 32, 744-760 (2022).

8. Wang, Y.C., Peterson, S.E. & Loring, J.F. Protein post-translational modifications and regulation of pluripotency in human stem cells. Cell Research 24, 143-160 (2014).