牛郎（增强子）与织女（启动子）通过鹊桥（增强子-启动子互作蛋白组）相会

中山大学中山医学院姜少帅、刘心仪、章主恒及杨明珠为本文的共同第一作者。中山大学丁俊军教授、四川大学华西二院肖雪教授、南方医科大学深圳眼科医院迟玮教授、徐州医科大学白津教授等为论文的通讯作者。该研究得到了中山大学王继厂教授，华中师范大学王亮教授，清华大学刘磊教授及其实验室艾华松（现上海交通大学PI）的指导及大力支持。

 

专家点评

 

高绍荣（中国科学院院士，同济大学）

 

染色质三维结构是基因表达时空调控的关键基础，其中增强子-启动子（E-P）互作对细胞特异性转录程序的建立及细胞命运决定至关重要。然而，目前领域内对介导特定E-P互作的蛋白及其调控机制仍缺乏系统性理解。

近日，中山大学丁俊军团队在Nature Genetics上发表了重要研究成果“JMJD2 regulates enhancer–promoter interactions via biomolecular condensate formation”。该研究针对上述科学问题，开发了基于染色质互作的蛋白组学技术LoopID，实现系统鉴定特定E-P互作位点的蛋白质复合物—Looposome，并发现Looposome中大量富集表观调控因子。以往的研究主要聚焦于表观调控因子通过擦除或读写表观修饰调控基因表达，而表观调控因子是否通过介导染色质三维结构调控基因表达，以及机制上是否与修饰因子的催化功能有关，还研究较少。

该研究发现，组蛋白去甲基化酶JMJD2在Looposome中高度富集，进一步的机制研究发现JMJD2通过其内在无序区（IDR）形成凝聚体，以不依赖其组蛋白去甲基化酶活性的方式调控E-P互作。这一发现不仅揭示了染色质三维结构的表观新机制，还丰富了表观调控因子的非经典模式的作用场景。此外，在调控细胞命运决定方面，研究还发现，在胚胎干细胞中JMJD2凝聚体介导细胞类型特异性E-P互作具有剂量依赖性：在生理水平下主要维持干细胞多能性相关E-P互作，维持干细胞多能性状态。而增强JMJD2凝聚体，则可诱导2-cell期特异性基因的E-P互作，促进胚胎干细胞向2-cell-like cells（2CLCs）的转变。基于此机制，研究团队进一步实现了在特定基因组位点人工招募JMJD2凝聚体，工程化从头构建并维持目标E-P互作，激活相关基因表达，进而调控胚胎干细胞向2CLCs的转变，提供了一种新的通过操纵染色质三维结构调控细胞命运转变的新策略。

总之，该研究建立了一种鉴定染色质三维结构蛋白质组的新技术，基于该技术发现、并阐明了一种由表观调控因子相分离凝聚体介导的、不依赖于经典酶活性的染色质三维结构调控新机制，为理解表观遗传因子如何通过三维基因组结构调控基因表达，进而决定细胞命运提供了新视角。

 

专家点评

 

李劲松（中国科学院院士，中科院生化与细胞生物研究所）

 

干细胞研究一直是发育生物学与再生医学领域的核心热点。全能性干细胞的成功获取与维持，不仅是发育生物学的“璀璨明珠”，更是体外解析早期胚胎发育的关键研究模型。然而，长期以来，全能性干细胞的研究始终受困于：稳定传代的困难、发育潜能低等关键瓶颈。阻碍了其基础研究价值与转化应用潜力。因此，深入阐明干细胞全能性的调控机制，对推动基础研究及再生医学的临床转化具有重要的理论意义与深远的实践价值。

近日，中山大学丁俊军团队在Nature Genetics上发表的突破性成果，为这一难题提供了全新的解答思路。该研究开发了基于染色质互作的蛋白质组学新技术“LoopID”，发现组蛋白去甲基化酶JMJD2并不限于其经典的酶学活性，而是能够通过形成相分离凝聚体介导干细胞的增强子-启动子互作，且呈现剂量依赖性的调控干细胞多能性和全能性增强子-启动子互作。在多能干细胞中增强JMJD2凝聚体，可促进Zscan4等全能性基因的增强子-启动子互作，提高2-cell like cells（2CLCs）的发育潜能，提示干细胞的发育潜能可能通过由生物大分子凝聚体介导的染色质结构组织进行调控。

不止于机制层面的突破，该研究对干细胞发育异质性概念上同样具有重要启示意义。以往通过化合物小分子诱导2CLCs的重编程尽管能够获得较高的诱导效率，但在分选并连续传代培养后，MERVL⁺细胞难以长期稳定维持，其比例会不断下降。此外，从单个2CLCs生成嵌合胚胎的效率较低，这表明MERVL⁺ 2CLCs 的发育潜能存在较强的异质性。丁俊军团队进一步发现，在过表达能够形成凝聚体的JMJD2的MERVL⁺ 细胞中，2-cell特异性基因的表达水平高于过表达不能形成凝聚体的JMJD2对照细胞，提示JMJD2凝聚体在调控2CLCs发育潜能异质性方面可能起重要作用。进一步考虑到 JMJD2 凝聚体在调控增强子–启动子互作中的功能，这种发育潜能的异质性可能与染色质空间结构密切相关。因此，通过调控生物大分子凝聚体及染色质组织结构，有望在实验条件下提高干细胞的发育潜能，并可能推广应用于其他物种（如人类和猴）。

总的来说，丁俊军团队的这项研究不仅系统揭示了JMJD2凝聚体在干细胞多能性与全能性调控中的全新机理，也为其他表观遗传修饰酶的非经典酶学活性研究提供了新的思路。未来，可聚焦于干细胞命运转变过程中JMJD2凝聚体组分的动态组装机制，探究其如何响应细胞内外信号，实现对不同谱系特异性增强子-启动相互作的精准调控。

 

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裴端卿（西湖大学）

 

染色质的三维动态结构构成了细胞身份编码与命运转换的“空间密码”，其中增强子与启动子之间的特异性互作（E-P互作）是调控基因表达、决定细胞命运的关键枢纽。长期以来，E-P互作的特异性调控机制一直是领域内的重要科学问题，如何在活细胞中原位鉴定特定E-P互作的蛋白组成，更是解析这一机制的关键瓶颈。

丁俊军团队及其合作者在《自然·遗传学》上发表的这项研究，系统回应了上述挑战。他们发展的LoopID技术，巧妙地将CRISPR-dCas9定位策略与split-TurboID邻近标记技术相结合，如同在染色质互作环上安装了一台“分子望远镜”。该技术通过将标记系统精准锚定于特定E-P互作环的两端，首次实现了在活细胞中原位、高特异性地捕获并鉴定互作锚点处的蛋白质复合物（looposome）。这一方法学创新不仅标志着该领域从绘制互作“图谱”到解析互作“桥梁”具体组成的重要跨越，更为后续探索不同细胞状态下E-P互作的动态调控机制提供了强大工具。值得一提的是，当前研究将LoopID成功应用于超级增强子-启动子互作的鉴定，展现了该技术的稳健性与创新性。若能进一步验证其在典型增强子互作中的适用性，将更全面地展现其分辨力与普适价值。

借助这一工具，团队揭示了组蛋白去甲基化酶JMJD2在染色质结构调控中具有不依赖其经典酶活功能的全新机制。研究发现JMJD2能够通过液-液相分离形成生物分子凝聚体，进而直接调控并维持特定的E-P互作。尤为重要的是，这种调控作用在JMJD2催化活性缺失的情况下依然存在，提示其作为“结构性因子”参与染色质空间组织的非经典功能。这一发现不仅拓展了对表观遗传因子功能谱的认知，也为理解细胞命运转换提供了新的分子逻辑。在此基础上，研究进一步实现了从机制解析到工程应用的跨越——通过人工招募并组装JMJD2凝聚体至特定基因组位点，成功实现了对目标E-P互作的“从头构建”，并能以此有效驱动细胞定向重编程。这为基于染色质结构编辑的细胞命运工程开辟了全新的技术路径。

总体而言，这项研究通过方法创新与机制探索，系统揭示了表观遗传因子通过相分离调控基因组三维结构的新范式，并展示了基于该机制进行细胞命运精准调控的潜力。其重要意义不仅在于提供了一项强大的研究工具和关键科学发现，更在于开辟了新的研究方向——系统探索表观调控因子的非经典功能及其在染色质结构组织与细胞命运决定中的作用。这项工作提示我们，未来对细胞身份的解读与重塑需要更加重视三维基因组的“结构逻辑”，这也将为发育调控、疾病机制研究与干预策略提供新的视角与可能。

 

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阮一骏（浙江大学）

 

The authors investigated the transcriptional looping mechanism between enhancer and promoter (E-P) mediated by JMJD2 via a newly developed proteomics-based method to identify chromatin loop structure (LoopID). This approach is capable of identifying the protein components at chromatin looping anchors and enabled the first comprehensive survey  of proteins at chromatin anchors of transcriptional looping, providing critical insights into the molecular mechanisms that shape and maintain E–P interactions. Owing to its robustness, LoopID is particularly powerful for uncovering chromatin structural regulators within specific cell types or biological contexts. As increasing evidence implicates aberrant chromatin organization in developmental abnormalities and human diseases, LoopID offers a unique approach to map the chromatin structure–associated proteins involved in pathogenic reorganizations.

Using LoopID, the authors in this study found that JMJD2 can mediate E-P interactions through its own phase-separated property, independent of its catalytic activity. This discovery introduced a new concept that the catalytic-independent function of epigenetic modifiers in transcriptional regulation can be mediated through modulating chromatin structure, rather than solely through its interactions with other transcriptional regulatory factors. 

 

The authors succussed in establishing cell type-specific E-P interactions through constructing condensates of JMJD2 at specific genomic loci. This strategy enables cellular reprogramming into pluripotent or totipotent-like stem cells and holds promise for controlling E-P interaction-related cell fate decisions during both physiological and pathological processes.

Together, the authors in this study provided technological innovation (LoopID: chromatin-loop–resolved proteomics), suggested mechanistic insight (catalytic-independent regulation of chromatin architecture by JMJD2 condensates), and proposed novel functional implication(controllable cell fate transition via condensate-based chromatin looping). These discoveries collectively advanced our understanding of 3D genome regulation, epigenetic mechanisms, and stem cell biology.

 

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王强（华南理工大学）

 

打开基因组折叠的“黑匣子”：丁俊军团队开发LoopID揭示表观修饰因子的非酶活结构功能

在真核生物的细胞核内，基因组的三维空间折叠——特别是增强子与启动子（E-P）的相互作用，是决定细胞命运的关键“开关”。然而，长期以来，科学家们虽然能通过Hi-C等技术“看到”这些环（Loop）的存在，却难以精准捕捉到究竟是什么蛋白质复合物（即 “Looposome”）在维持这些特定的空间结构。这些关键的结构分子如同隐匿在一个未被开启的 “黑匣子” 中，其组成与机制长期以来不为人知。

近日，中山大学丁俊军教授团队在Nature Genetics 发表的突破性成果，成功拿到了开启这个匣子的钥匙。该研究开发了名为 LoopID 的创新技术，并借此挑战了表观遗传领域的传统认知，揭示了组蛋白修饰酶在染色质结构调控中的全新角色：（1）技术破壁：LoopID——打开染色质环互作蛋白的“黑匣子”。针对上述难题，研究团队开发的LoopID技术巧妙利用了CRISPR系统的精准导向功能与分割式邻近标记酶（Split-TurboID）的条件性重组特性，构建了一套依赖于染色质三维构象的“分子感应开关”。该系统使得只有当增强子与启动子在空间上发生物理接触形成“环”时，生物素连接酶才会重组并激活。这一设计极大地降低了背景噪音，首次实现了对特定E-P互作锚点处蛋白复合物的高信噪比捕获。LoopID的问世，填补了从“染色质结构”到“分子组成”之间的方法学空白，为解析三维基因组的调控机制提供了精准的解码工具。（2）机制重塑：表观修饰因子的“跨界”——非酶活依赖的结构建筑师。当研究团队利用LoopID打开这个“黑匣子”后，意外发现组蛋白去甲基化酶JMJD2是E-P环上的核心成员。颠覆传统认知的是，JMJD2在此处并非行使其经典的“去甲基化”（Eraser）功能，而是通过其无序区（IDR）发生液-液相分离，形成生物大分子凝聚体。这些凝聚体像胶水一样粘合了增强子和启动子。这一发现揭示了表观遗传修饰因子在调控染色质构象时的“非酶活”功能（Catalytic-independent function），为理解表观因子如何兼具表观修饰“擦除者”与染色质结构“建筑师”的双重身份提供了全新视角。（3）应用突破：人工构建相分离，重编程细胞命运。更令人振奋的是，研究团队不仅解释了现象，更掌握了操控这套机制的钥匙。他们通过在特定基因组位点人工招募JMJD2凝聚体，成功在不依赖酶活性的情况下，从头建立了特定基因的E-P连接。这种“E-P工程”策略成功激活了全能性相关基因，将小鼠胚胎干细胞诱导至类似二细胞期的全能性状态（2CLC）。这不仅证明了相分离驱动的染色质环在细胞命运决定中的因果作用，也为再生医学和细胞重编程提供了全新的精准操控手段。

综上所述，丁俊军团队的这项工作在技术开发、机制解析和合成生物学应用三个维度上均取得了重要突破，是三维基因组学与表观遗传学交叉领域的里程碑式成果。

 

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丁俊军教授是中山大学教育部干细胞与组织工程重点实验室独立PI，研究工作主要集中在胚胎干细胞、早期胚胎发育及乳腺癌的表观遗传、染色质三维结构和相分离调控机制。丁俊军课题组长期招聘副教授、博士后，也招收博士生、硕士生等，方向为：生物信息学、干细胞、乳腺癌、分子生物学、细胞生物学等，工作地点可以是广州或者成都。有意加入Dinglab团队，请与丁老师直接联系：stemcellding@163.com，课题组网页：https://zssom.sysu.edu.cn/stemcellding/

 

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-025-02415-8