Ctcf-flox 基因敲除小鼠

CTCF，全称为CCCTC-binding factor（CCCTC结合因子），是一种多功能的转录因子，在真核生物的基因表达调控中发挥着重要作用。CTCF含有11个锌指结构域，能够识别并结合到DNA上的多种不同的CCCTC序列，从而影响基因的表达。CTCF在基因组上的结合位点主要位于基因间区，其中一部分与增强子重叠。CTCF还可以与染色质的其它区域相互作用，如基因和启动子，这表明CTCF可能通过多种方式影响基因表达。在启动子区域，CTCF可以直接影响转录。在更远的位点，CTCF可能协调调控元件之间的相互作用，帮助分隔染色体中的欧染色体和非欧染色体区域，发挥染色质屏障功能。CTCF对染色质三维结构的调节和对染色质域的形成有重要贡献[1]。

CTCF在基因表达调控中的作用不仅限于健康状态，也涉及疾病状态。例如，在前列腺癌中，MYC蛋白与CTCF相互作用，重塑了CTCF介导的染色质结构。MYC激活导致CTCF介导的染色质环结构发生深刻变化，增强CTCF在这些位点上的占据，进而增强了CTCF介导的染色质环结构，导致神经内分泌谱系可塑性基因的增强子-启动子环结构被破坏[2]。此外，YY1（Yin Yang 1）转录因子在增强子-启动子环的形成中也发挥着类似于CTCF的作用。YY1结合到活性增强子和启动子附近的元件，并形成二聚体，促进这些DNA元件的相互作用。YY1结合位点的缺失或YY1蛋白的耗尽会破坏增强子-启动子环结构和基因表达[3]。此外，增强子-启动子相互作用可以绕过CTCF介导的界限，从而维持基因表达的忠实性和表型稳健性[4]。

CTCF和凝聚素在协调长距离调控元件与目标之间的相互作用中发挥着重要作用。凝聚素与增强子、启动子和CTCF结合位点相关联，有可能形成反映并促进细胞类型特异性转录程序的发育调节的长距离相互作用网络[5]。在斑马鱼中，CTCF的缺失导致染色质结构丧失，并影响数千个基因的表达，包括许多发育调节因子。这表明CTCF在为增强子-启动子相互作用提供结构环境方面发挥着重要作用，从而调节发育基因的表达[6]。

CTCF在协调单个基因座的表达中也发挥着重要作用。CTCF在β-珠蛋白、Igf2/H19和主要组织相容性复合体（MHC）II类基因座等基因簇的协调基因表达中发挥作用。CTCF通过使绝缘子功能和促进高级染色质相互作用来控制这些基因的表达。CTCF还参与协调CFTR（囊性纤维化跨膜电导调节因子）和IFNG（干扰素-γ）基因座的基因表达。这些比较揭示了CTCF在需要协调基因表达的单一基因座中的功能模型[7]。

在急性髓细胞白血病（AML）中，CTCF的突变和染色质三维结构的改变对白血病的发生发展有重要影响。AML患者中存在A/B区室、拓扑相关域和染色质环的亚型特异性改变。AML特异性启动子-增强子和启动子-沉默子环结构在AML患者样本中被广泛和反复发现。此外，AML细胞中DNA甲基化、CTCF结合和三维基因组结构之间存在微妙的联系。使用DNA低甲基化剂和DNMT1、DNMT3A和DNMT3B的三重敲低可以使DNA甲基化逆转，从而恢复三维基因组组织和基因表达[8]。

CTCF的缺失会破坏人滋养层细胞系Swan 71中妊娠特异性糖蛋白（PSGs）基因的表达。CTCF表达的抑制干扰了多个PSG基因的转录：PSG1、PSG2、PSG4、PSG5、PSG8和PSG9的表达上调，而PSG6和PSG11的表达下调。这些转录变化与CTCF结合的减少和PSG启动子处组蛋白修饰的变化相关。这些数据表明CTCF可能是PSG基因表达调控的潜在介质[9]。

CTCF拓扑边界的研究揭示了增强子-癌基因调控的原理。在胃肠道间质瘤（GISTs）中，DNA高甲基化导致通常绝缘FGF癌基因的CTCF拓扑边界被破坏。该边界包含一系列CTCF位点，这些位点强制相邻的拓扑相关域（TADs），一个包含FGF基因，另一个包含ANO1及其在GIST中特异性活化的潜在增强子。研究发现，CTCF位点的协同破坏导致相邻TADs融合，允许ANO1增强子接触FGF3，并导致其显著诱导。高分辨率微-C图揭示了ANO1增强子中转录起始位点和FGF3启动子之间的特定接触，这种接触频率与FGF3诱导定量相关，因此接触频率的适度变化会导致表达强度的强烈变化，这与因果关系一致[10]。

综上所述，CTCF是一种多功能的转录因子，在基因表达调控中发挥着重要作用。CTCF不仅影响单个基因的表达，也参与基因簇的协调表达。CTCF与染色质的三维结构密切相关，其结合位点和功能在健康和疾病状态下都发挥着重要作用。CTCF的研究有助于我们深入理解基因表达调控的机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。