Ctcf-KO 基因敲除小鼠

CTCF（CCCTC结合因子）是一种多功能的转录调控因子，具有11个锌指结构域，能够识别并结合基因组中的多个位点。CTCF在基因组中主要结合于非编码区域，并有一小部分位点与转录增强子重叠。此外，CTCF还与基因和启动子区域相交。这些特性表明，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可以协调调节元件之间的相互作用，并在基因组中分隔欧几里得和异染色质区域，发挥染色质屏障功能。CTCF在调节染色质的三维结构和形成染色质结构域方面发挥着重要作用。CTCF的结合和结构功能受到调控，参与控制基因表达，在发育和疾病中发挥着重要作用[1]。

在前列腺癌中，MYC是一种已知的致癌转录因子，而CTCF是三维基因组组织的主要结构蛋白。研究表明，MYC通过相互作用，重排前列腺癌的染色质结构。MYC激活会导致CTCF介导的染色质环的显著变化。MYC与CTCF在部分基因组位点共定位，并增强CTCF在这些位点的占有率。因此，MYC激活增强了CTCF介导的染色质环，导致神经内分泌谱系可塑性基因的增强子-启动子环被破坏。这些发现定义了MYC作为CTCF辅因子在三维基因组组织中的作用[2]。

YY1（Yin Yang 1）是一种广泛表达的转录因子，它通过类似于CTCF介导的DNA相互作用的方式，参与增强子-启动子结构相互作用。YY1结合到活性增强子和启动子邻近元件上，并形成二聚体，促进这些DNA元件的相互作用。YY1结合位点的删除或YY1蛋白的耗尽会破坏增强子-启动子环和基因表达。这表明YY1介导的增强子-启动子相互作用是哺乳动物基因控制的一般特征[3]。

研究表明，增强子-启动子相互作用可以绕过CTCF介导的边界，并有助于表型稳健性。CTCF介导的环促进和限制了这些调节相互作用。研究发现，CTCF既不是Sox2基因与远端增强子相互作用所必需的，也不是其表达所必需的。在Sox2和其远端增强子之间插入各种CTCF基序组合，产生了具有不同程度隔离的边界，这与转录产量的减少直接相关。然而，在胚外层和神经组织中，增强子接触和转录诱导不能完全消除，插入未能破坏植入和神经发生。相比之下，在携带最强边界的突变体中，Sox2表达在前肠中检测不到，这些动物完全复制了该组织中SOX2缺失的情况。这表明，具有高密度调节活性的增强子簇可以更好地克服物理障碍，以维持忠实的基因表达和表型稳健性[4]。

CTCF和凝聚素在将基因调节元件与其靶点连接起来方面发挥着重要作用。研究表明，物种特异性转座元件可能通过重塑CTCF结合谱系来影响这些相互作用。凝聚素与增强子、启动子和由CTCF结合定义的位点的关联具有形成发育调节的长程相互作用网络的能力，这些网络反映了细胞类型特定的转录程序，并促进了细胞类型特定的转录程序[5]。

在斑马鱼中敲除CTCF会导致调节景观和发育基因表达的改变。CTCF介导的染色质环是基因调节的关键。CTCF是一种结构蛋白，介导染色质环，并富集于拓扑相关结构域（TADs）的边界，TADs是亚兆碱基的染色质结构。CTCF的缺失会导致TADs的丧失，但对基因表达的影响有限，这对CTCF介导的染色质结构是基因调节的基本要求的概念提出了挑战。然而，CTCF缺失和染色体结构改变如何影响发育过程中的基因表达尚不清楚。研究发现，CTCF缺失会导致染色质结构的丧失，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背景，从而调节发育基因方面发挥着重要作用[6]。

CTCF在协调单个基因位点的表达方面发挥着作用。CTCF不仅通过使绝缘子功能发挥作用，还通过促进更高阶的染色质相互作用来控制基因表达。虽然CTCF在基因调节中的作用主要在多基因位点进行研究，但也有证据表明CTCF有助于单个基因的调节表达。研究发现，CTCF在CFTR（囊性纤维化跨膜电导调节因子）和IFNG（干扰素-γ）位点参与协调基因表达。这些比较揭示了一个功能模型，该模型可能适用于其他需要CTCF进行协调基因表达的单一基因位点[7]。

在急性髓性白血病（AML）中，CTCF缺失会导致调节景观和发育基因表达的改变。AML是一种异质性的髓系恶性肿瘤，其特征包括表观遗传修饰因子、转录因子和激酶的突变。AML中的突变导致染色体3D结构和髓系转化的改变尚不清楚。研究表明，AML样本中存在反复和亚型特异性的A/B区室、拓扑相关结构域和染色质环的变异。AML样本中的RNA测序、ATAC测序和CUT&Tag分析揭示了广泛的和反复的AML特异性启动子-增强子和启动子-沉默子环。CRISPR删除和干扰证实了抑制环对其靶基因的作用。AML样本中进一步鉴定了结构变异引起的增强子劫持和沉默子劫持事件。劫持的增强子在AML细胞生长中发挥作用，而劫持的沉默子则具有下调作用。AML细胞的全基因组亚硫酸氢盐测序揭示了DNA甲基化、CTCF结合和3D基因组结构之间的微妙关系。AML细胞用DNA低甲基化剂处理，并敲除DNMT1、DNMT3A和DNMT3B，可以操纵DNA甲基化，逆转3D基因组组织和基因表达。总体而言，这项研究为白血病研究提供了资源，并强调了抑制环和劫持的顺式元件在人类疾病中的作用[8]。

CTCF缺失会破坏人滋养层细胞系Swan 71中的PSG基因表达。妊娠特异性糖蛋白（PSGs）是由胎盘在妊娠期间分泌的胎儿蛋白。母体血清中的PSG水平是妊娠并发症风险的指标。然而，关于PSG基因表达的分子机制知之甚少。最近，胎盘基因的表观遗传调控在发育缺陷和胎盘疾病研究中的重要性得到了强调。研究发现，CTCF在PSG表达的调节中发挥作用。CTCF表达的抑制扰乱了多个PSG基因的转录：PSG1、PSG2、PSG4、PSG5、PSG8和PSG9被上调，而PSG6和PSG11被下调。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改变相关。这表明CTCF是PSG基因表达的潜在介导因子[9]。

CTCF拓扑边界的解析揭示了增强子-癌基因调节的原理。增强子-基因通讯依赖于CTCF绝缘子介导的TADs和边界，但潜在的结构和机制仍存在争议。研究发现，通常隔离成纤维细胞生长因子（FGF）癌基因的边界在胃肠道间质瘤（GISTs）中被DNA高甲基化破坏。边界包含一系列CTCF位点，这些位点强制相邻的TADs，一个包含FGF基因，另一个包含ANO1及其在GIST及其可能起源细胞中特异性活化的假设增强子。研究发现，在边界中同时破坏四个CTCF基序会融合相邻的TADs，允许ANO1增强子与FGF3接触，并导致其显著诱导。高分辨率微-C映射揭示了ANO1增强子中转录起始位点与FGF3启动子之间的特异性接触，这种接触频率与FGF3的诱导定量相关，从而产生了强烈的表达变化，这与因果关系一致[10]。

综上所述，CTCF是一种多功能的转录调控因子，在基因表达、染色质结构和三维基因组组织方面发挥着重要作用。CTCF与MYC、YY1等其他蛋白质相互作用，共同调节基因表达和细胞功能。CTCF的缺失或变异与多种疾病的发生和发展相关，包括前列腺癌、AML和胎盘疾病等。CTCF的研究有助于深入理解基因调控和疾病发生机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。