Cohesin과 CTCF는 염색체 접힘의 역학을 제어합니다

Jun 12, 2023

Nature Genetics 54권, 1907~1918페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

포유동물에서는 위상적으로 연관된 도메인 내의 서열 간의 상호작용을 통해 넓은 게놈 거리에 걸쳐 유전자 발현을 제어할 수 있습니다. 그러나 그러한 접촉이 얼마나 자주 발생하는지, 얼마나 오래 지속되는지, 그리고 이것이 코헤신의 염색체 접힘 및 루프 압출 활동의 역학에 어떻게 의존하는지는 알려져 있지 않습니다. 살아있는 세포에서 높은 공간적 및 시간적 해상도로 염색체 위치를 이미징함으로써 우리는 위상학적으로 연관된 도메인 내의 상호 작용이 일시적이며 세포 주기 과정에서 자주 발생한다는 것을 보여줍니다. 수렴형 CTCF 사이트가 있는 경우 상호 작용이 더 빈번해지고 길어져 시간에 따른 염색체 접힘의 가변성이 억제됩니다. 염색체 역학의 물리적 모델에 의해 뒷받침되는 우리의 데이터는 CTCF 고정 루프가 약 10분 동안 지속된다는 것을 시사합니다. 우리의 결과는 장거리 전사 조절이 일시적인 물리적 근접성에 의존할 수 있으며, cohesin과 CTCF가 매우 역동적인 염색체 구조를 안정화하여 염색체 상호 작용의 선택된 하위 집합을 촉진한다는 것을 보여줍니다.

포유류 세포에서 염색체 서열 간의 상호작용은 DNA 복제1, 복구2 및 원위 인핸서3에 의한 전사 조절과 같은 기본 과정에서 중요한 역할을 합니다. 고정된 세포에서 게놈 서열 사이의 물리적 근접성을 측정하는 염색체 형태 포착(3C) 방법은 염색체 접촉이 위상학적으로 연관 도메인(TAD)4,5으로 알려진 우선적 상호작용의 메가베이스 이하 도메인으로 구성되어 있음을 밝혔으며, 그 경계는 조절 서열3을 기능적으로 절연할 수 있습니다. TAD는 주로 염색질 결합 CTCF가 코헤신 복합체6,7,8,9,10의 루프 압출 활성을 정지시키기 때문에 확립된 DNA 결합 단백질 CTCF의 수렴 방향 결합 부위 사이의 중첩된 상호작용에서 발생합니다.

TAD 내 염색체 상호작용의 시기와 기간, CTCF 및 코헤신과의 관계를 결정하는 것은 인핸서가 프로모터와 통신하는 방법을 이해하는 데 중요합니다. 고정 세포의 염색체 구조에 대한 단일 세포 분석4,13,14,15, 염색체 추적 실험16,17,18,19, 시험관 내9,10,20 및 CTCF 및 코헤신 역학의 라이브 세포 측정 및 폴리머 시뮬레이션6,15, 염색체 위치와 초기 RNA23,24의 살아있는 세포 이미징뿐만 아니라 22는 모두 TAD와 CTCF 루프가 루프 압출의 동역학에 의해 시간적 진화가 좌우될 수 있는 동적 구조임을 제안했습니다. 마우스 배아 줄기 세포(mESC)에서 두 개의 반대 TAD 경계를 연결하는 CTCF 루프의 최근 살아있는 세포 측정은 이것이 사실이라는 직접적인 증거를 제공했으며 지난 10년 동안 500킬로베이스(kb) 떨어진 CTCF 사이트 사이의 코헤신 매개 루프가 있음을 밝혔습니다. –30분(참조 26). 그러나 인핸서와 프로모터가 동일한 TAD 내에서 상호 작용하는 게놈 거리로 분리된 서열 간의 접촉이 초, 분 또는 시간 단위로 발생하는지 여부는 여전히 불분명합니다. 또한 그러한 접촉의 속도와 기간이 루프 압출에 의해 변조되는지 여부와 방법에 대한 지식이 거의 없습니다. 우리는 cohesin이 염색체 이동성을 증가시켜 게놈 서열을 루프로 감아서 만남을 선호하는지, 아니면 대신 이동성을 감소시키고 그러한 만남의 지속 시간을 연장시키는 제약을 제공하는지 알지 못합니다. 두 시나리오 모두 이론적으로 가능하다고 제안되었지만 살아있는 세포에서 어떤 효과가 지배적인지는 확실하지 않습니다.

여기에서는 생세포 형광 현미경을 사용하여 염색체 역학과 mESC의 코헤신 및 CTCF에 대한 의존성을 측정합니다. 두 가지 라이브 셀 이미징 전략과 폴리머 시뮬레이션을 결합함으로써 우리는 코헤신에 의해 돌출된 루프가 전체 염색체 운동을 제한하는 동시에 동일한 TAD 내부 시퀀스 간의 물리적 만남의 시간적 빈도와 지속 시간을 증가시킨다는 것을 밝힙니다. 수렴형 CTCF 사이트는 평균 약 5~15분 동안 지속되는 코헤신 매개 CTCF 고정 루프를 통해 접촉을 실질적으로 안정화합니다. 우리의 결과는 단일 TAD 내의 염색체 구조가 세포주기 동안 매우 역동적이므로 장거리 전사 조절이 게놈 서열 간의 일시적인 물리적 근접성에 의존할 수 있다는 개념을 뒷받침합니다. 그들은 또한 접촉 역학과 염색체 접힘의 시간적 가변성이 단일 살아있는 세포에서 코헤신과 CTCF에 의해 어떻게 조절되는지 밝히고 기본적인 생물학적 과정에서 접힘 역학의 역할을 이해하기 위한 정량적 틀을 제공합니다.