Nature重磅：中国科学家揭示染色质折叠三大“引擎”如何协同工作
Nature重磅：中国科学家揭示染色质折叠三大“引擎”如何协同工作
近日，深圳湾实验室张浩岳/黄恺团队在Nature发表重要研究成果，揭示了三种主要的染色体结构维持复合物（SMC）——extrusive-cohesin、cohesive-cohesin和condensin在染色质折叠过程中的复杂协作和拮抗作用。这一发现不仅拓展了我们对基因组三维结构形成的认识，也揭示了其动态调控机制在细胞分裂以及染色质结构重塑过程中的重要作用。
研究背景
染色体结构维持复合物（Structural Maintenance of Chromosomes complexes，SMCs）——包括粘连蛋白（cohesin）和凝缩蛋白（condensin）在真核生物基因组动态折叠模式的调控中发挥核心作用。在G1期，cohesin通过环挤压（loop extrusion）机制组织基因组结构，并通过这一机制将基因组包装形成拓扑关联结构域（TADs）和染色质环。这些结构通过维持基因启动子与远端增强子的空间互作或绝缘隔离，进而调控转录活性。进入S期后，一类独特的cohesin复合体（cohesive-cohesin）通过拓扑环绕新复制的DNA链，介导姐妹染色单体的内聚作用（cohesion）。至G2期，extrusive-cohesin与cohesive-cohesin在染色质上共定位，提示二者可能发生空间互作。然而，目前对cohesive-cohesin在基因组上的分布规律仍缺乏系统研究，其参与基因组折叠的具体机制尚不明确，且两种cohesin亚型如何相互影响仍有待阐明。
当细胞进入有丝分裂时，extrusive-cohesin与cohesive-cohesin逐渐从染色体臂解离。与此同时，凝缩蛋白I型和II型被逐步加载至染色质，通过非序列依赖性的DNA环挤压机制将染色质压缩成为染色体。虽然这几个复合物在细胞周期的不同阶段发挥作用，但它们在 G2期与M 期的转换期间共存于染色质上。这提示我们它们之间可能存在着相互作用。深入探究这些复合物的作用，对于理解基因组的动态折叠具有重要的意义。
研究方法与发现
研究团队首先通过CRISPR/Cas9基因编辑技术和可诱导蛋白降解技术，对三个关键的蛋白wapl (cohesin释放因子) 、sororoin (cohesive cohesin保护因子) 以及SMC2 (condensin重要亚基) 分别进行了标记，创造了两种具有多个可控降解标签的细胞系，即WapldTag/SMC2mAID 和WapldTag/SMC2mAID/SororinmAID 。这些遗传工具实现了对extrusive-cohesin、cohesive-cohesin和condensin三种复合物的精准时空调控（图1，2）。
图1.两种细胞系的构建以及关键蛋白的降解效果
研究人员在此基础上设计了八种不同的 SMC 复合物配置（图2），利用高分辨率 Hi-C 技术对基因组结构进行了详细的空间分析，并结合 ChIP-seq 技术揭示了 SMC 复合物在基因组上的结合模式，系统性地探讨了三种复合物单独或协作时对基因组结构的影响。
图2. 八种不同的 SMC 复合物配置
Condensin vs extrusive cohesin
研究发现，condensin 通过破坏 extrusive-cohesin 在 CTCF 结合位点的聚集，显著削弱了拓扑关联域 （TAD） 和染色质环的信号（图3a）。这一过程促进了间期染色质向分裂期染色体的转变。同时， extrusive-cohesin可能在染色质纤维上起到障碍作用，并阻碍condensin 活性，进而抑制condensin介导的染色体螺旋化过程（图3b）。
Condensin vs cohesive cohesin
与extrusive-cohesin类似，cohesive-cohesin在染色体上的结合峰也会受到condensin的削弱。值得注意的是，condensin并不是直接破坏cohesive-cohesin在染色质上的分布，而是通过削弱extrusive-cohesin从而间接影响cohesive-cohesin在染色质上的定位。另一方面，cohesive-cohesin在有丝分裂进程中同样可以干扰condensin的功能，延迟染色体的轴向凝缩。
extrusive-cohesin vs cohesive-cohesin
extrusive-cohesin 是染色质环或 TAD 形成的关键驱动力，而 cohesive-cohesin无法单独形成这些结构。这一发现表明，extrusive-cohesin与cohesive-cohesin在调控基因组折叠的功能上具有本质区别。不仅如此，研究人员发现cohesive-cohesin可以通过限制 extrusive-cohesin 的移动，有效抑制染色质环的扩展，这种作用发生在染色单体上（图3f）。此外，当 extrusive-cohesin 和 cohesive-cohesin 共存时，它们共同对抗 condensin 的功能，显著延缓了染色体的凝缩过程。这种协同作用表明，cohesin 的两种形式不仅功能互补，还可能通过复杂的机械互作调控染色体行为。
图3. 三种SMC复合物之间的相互作用
专家点评
杜振海，颉伟（清华大学，生命科学学院）
操纵染色质高级结构的“三体”人
染色体高级结构在细胞间期和有丝分裂过程中经历显著的重构，这一动态过程对基因组的复制、分离和基因调控具有关键作用。然而，这一过程的分子机制仍是现代细胞生物学领域尚未完全解决的基础科学问题。结构维持染色体 （SMC） 复合物家族是调控基因组三维结构的核心分子机器。这个家族有两大类蛋白，cohesin和condensin。它们的结构很类似，但是在不同的过程中起作用。Condensin通常通过序列非依赖性的环挤出驱动有丝分裂期染色体的高度凝聚。Cohesin的经典功能是在S期通过cohesive-cohesin维持姐妹染色单体的黏连 (cohesive-cohesin) ，但近年来的研究发现在细胞间期，cohesin通过环挤出 （loop extrusion） 机制介导染色质拓扑关联域 （TADs） 和染色质环的形成 （extrusive-cohesin） 。但这三种过程是如何通过cohesin/condensin的不同调控实现，以及它们之间的关系一直令人费解。尽管蛋白诱导降解系统已被广泛应用于研究cohesin介导的染色质三维结构在发育和疾病中的转录调控功能，但由于无法有效区分extrusive-和cohesive-cohesin，且该方法易导致细胞周期阻滞，这些问题严重制约了相关研究的深入开展。
近期，深圳湾实验室张浩岳团队和黄恺团队通过令人惊叹的巧妙实验设计、多组学技术和计算机模拟，系统揭示了extrusive-cohesin，cohesive-cohesin与condensin三者间的复杂互作关系及其对染色体结构的调控机制。该研究一大亮点在于通过遗传学方法人为将extrusive和cohesive cohesin引入至有丝分裂时期，做到与codensin“三体”共存，同时通过三重正交可诱导降解细胞系，实现了对三种SMC复合物的独立或组合操控，完美的分离了三种复合物的功能，发现了SMC复合物的动态合作和竞争对关系，整个实验设计令人惊叹叫绝。
这项工作中有很多有趣的发现，比如该研究首次证明了cohesive-cohesin并没有环挤压功能，并且其在染色质上的定位完全依赖于extrusive-cohesin。这是领域里长期以来的猜想，但一直缺乏实验证据。另一方面，cohesive-cohesin通过限制extrusive-cohesin的环扩展能力，削弱了染色质环的强度，并增强TAD内部的短程相互作用。condensin可以破坏extrusive-cohesin与CTCF的结合从而导致TADs和染色质环的快速解体，同时也间接破坏了cohesive-cohesin的分布。而extrusive-cohesin通过抑制condensin 的螺旋化活性，阻碍染色体螺旋缠绕；而cohesive-cohesin则通过限制condensin 的轴向压缩能力，延缓染色体纵向缩短。当两者共存在时，其协同效应显著延迟染色体凝聚进程。这一发现证明cohesin和condensin“一山不容二虎”，为细胞间期到有丝分裂转换的结构重塑和分子机器的转换提供了很好的分子解释。
综上，这项研究系统揭示了染色质结构控制的“三体”人的工作原理，让我们对染色质高级结构的工作原理的认识前进了一大步，也充分体现了精巧的遗传学设计 （并借助于组学和计算机模拟） 是如何帮助我们揭示大自然的复杂规律的，是极其有价值和难得的研究。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08638-3
本文原文来自Nature，经授权后由BioArt团队进行报道。