May 18, 2023
CTCF — это ДНК
Природа том 616, стр.
Nature, том 616, страницы 822–827 (2023 г.) Процитировать эту статью
20 тысяч доступов
2 цитаты
121 Альтметрика
Подробности о метриках
У эукариот геномная ДНК выдавливается в петли с помощью когезина-1. Ограничивая этот процесс, ДНК-связывающий белок CCCTC-связывающий фактор (CTCF) генерирует топологически ассоциированные домены (TAD)2,3, которые играют важную роль в регуляции и рекомбинации генов во время развития и заболевания1,4,5,6,7. Как CTCF устанавливает границы TAD и в какой степени они проницаемы для cohesin, неясно8. Здесь, чтобы ответить на эти вопросы, мы визуализируем взаимодействия отдельных молекул CTCF и когезина с ДНК in vitro. Мы показываем, что CTCF достаточно для блокирования диффузионного когезина, что, возможно, отражает то, как когезивный когезин накапливается на границах TAD, а также достаточно для блокирования когезина, вытесняющего петлю, что отражает то, как CTCF устанавливает границы TAD. CTCF, как и предполагалось, функционирует асимметрично; однако CTCF зависит от напряжения ДНК. Более того, CTCF регулирует активность экструзии петли когезина, изменяя ее направление и вызывая сжатие петли. Наши данные показывают, что CTCF не является, как предполагалось ранее, просто барьером для когезин-опосредованной экструзии петель, но является активным регулятором этого процесса, посредством чего проницаемость границ TAD может модулироваться напряжением ДНК. Эти результаты раскрывают механистические принципы того, как CTCF контролирует экструзию петель и архитектуру генома.
Сворачивание геномной ДНК с помощью когезина играет важную роль в организации хроматина, регуляции генов и рекомбинации1. Когезин принадлежит к семейству АТФазных комплексов структурного поддержания хромосом (SMC), которые могут выдавливать ДНК в петли, и эта активность была восстановлена in vitro для когезина, конденсина и SMC5/SMC6 (ссылки 9,10,11,12, 13,14). Когезин также выполняет вторую функцию, обеспечивая слипание сестринских хроматид.
В отдельных клетках петли расположены в разных положениях, что указывает на то, что петли представляют собой динамические структуры, большинство из которых находятся в процессе выдавливания15,16,17. Однако при измерениях клеточных популяций появляются закономерности, которые показывают, что большинство петель формируется внутри TADs16,18,19. CTCF расположен на границах TAD18,19 и необходим для их формирования и накопления когезина в этих сайтах2,3,20. CTCF имеет неструктурированные N- и C-концевые области, которые обрамляют 11 цинковых пальцев, некоторые из которых распознают асимметричную последовательность ДНК и, следовательно, направленно позиционируют CTCF на ДНК21,22. Большинство сайтов связывания CTCF ориентированы в конвергентной ориентации так, что N-концы CTCF обращены внутрь TADs, указывая тем самым, что CTCF функционирует как асимметричная граница для когезин-опосредованной экструзии петель23,24,25. В соответствии с этой возможностью, N-конец CTCF может связываться с cohesin26 и необходим для изоляции TAD и закрепления петли в этих сайтах26,27,28,29.
Было предложено несколько механизмов того, как CTCF может предотвратить выход петли через границы TAD (рассмотрено ранее8), а именно: в качестве физического барьера (блокпоста); путем связывания с когезином; предотвращая высвобождение когезина из ДНК, способствуя замене субъединицы NIPBL, активирующей АТФазу когезина, на ее неактивный аналог PDS5; путем прямого ингибирования АТФазной активности когезина; и способствуя захвату ДНК внутри кольцевой структуры, образованной тремя субъединицами когезина30. Также было высказано предположение, что CTCF превращает cohesin в асимметрично экструдирующий фермент, останавливая экструзию петли в сайте, связанном с CTCF, в то же время позволяя cohesin продолжать втягивать ДНК в петлю только из внутренней части TAD26,31,32. Однако остается нерешенным, какой из этих предложенных механизмов используется CTCF и достаточен ли CTCF для блокирования экструзии петли с помощью cohesin. Ответы на эти вопросы имеют большое значение, поскольку CTCF необходим для контроля взаимодействий энхансер-промотор1, ядерного перепрограммирования6, рекомбинации генов антигенных рецепторов4,5 и времени репликации ДНК33, а также потому, что мутации CTCF участвуют в онкогенезе7. Границы CTCF также являются сайтами, в которых реплицированные молекулы ДНК соединяются комплексами когезина, которые обеспечивают слипчивость34.