Nipbl-KO 基因敲除小鼠

Nipbl，全称Nipped-B-like protein，是一种重要的细胞内蛋白质，属于细胞内连接蛋白家族，对维持基因组稳定性和调节基因表达具有关键作用。Nipbl的主要功能是作为连接蛋白复合物的一部分，与SMC1A、SMC3、RAD21和HDAC8等其他蛋白质相互作用，形成连接蛋白复合物，参与染色质结构和基因表达调控。Nipbl在维持染色体稳定性方面发挥着重要作用，它通过促进染色质环状结构的形成，使得染色体得以在细胞分裂过程中保持完整，并确保基因表达的正确调控。此外，Nipbl还参与DNA修复过程，帮助细胞修复DNA损伤，防止基因组突变和遗传疾病的发生。

Nipbl在多种生物学过程中发挥着重要作用，包括细胞分裂、细胞分化、发育和代谢。在细胞分裂过程中，Nipbl与SMC1A和SMC3等蛋白质相互作用，形成连接蛋白复合物，参与染色质结构的维持和染色体分离。在细胞分化过程中，Nipbl通过调节基因表达，促进细胞分化为不同的细胞类型。在发育过程中，Nipbl参与胚胎发育和组织形成，对维持正常的生长发育至关重要。在代谢过程中，Nipbl参与基因表达调控，影响细胞的代谢活动和能量平衡。

Nipbl在多种疾病中发挥着重要作用，包括遗传性疾病和癌症。其中，Nipbl基因突变或表达异常与Cornelia de Lange综合征（CdLS）的发生密切相关。CdLS是一种罕见的遗传性疾病，表现为智力障碍、面部特征异常、生长发育迟缓和多器官畸形等症状。研究发现，Nipbl基因突变或表达异常会导致连接蛋白复合物功能异常，进而影响染色质结构和基因表达，最终导致CdLS的发生。此外，Nipbl还与多种癌症的发生和发展密切相关。研究表明，Nipbl在多种癌症组织中表达下调，导致连接蛋白复合物功能异常，进而影响染色质结构和基因表达，促进癌细胞的生长和转移。

在动物模型中，Nipbl基因缺陷会导致胚胎发育异常，表现为心脏、四肢和神经系统等方面的缺陷。研究发现，Nipbl基因缺陷会导致胚胎中中胚层细胞数量减少，中胚层细胞亚群比例改变，以及基因表达异常。这些改变与Nanog基因过度表达有关，而Nanog基因过度表达会导致胚胎发育过程中基因表达失调和细胞谱系分配错误，最终导致出生缺陷。因此，Nipbl基因缺陷与Nanog基因过度表达以及基因表达失调和细胞谱系分配错误之间存在密切联系，这些改变最终表现为Nipbl基因缺陷动物和CdLS患者的出生缺陷[1]。

CdLS是一种罕见的遗传性疾病，表现为智力障碍、面部特征异常、生长发育迟缓和多器官畸形等症状。研究发现，CdLS的发生与NIPBL、SMC1A、SMC3、RAD21和HDAC8等基因突变密切相关。这些基因突变导致连接蛋白复合物功能异常，进而影响染色质结构和基因表达，最终导致CdLS的发生。CdLS的临床特征包括智力障碍、面部特征异常、生长发育迟缓和多器官畸形等。CdLS的遗传方式为常染色体隐性遗传，即患者需要从父母双方各遗传一个突变基因才能发病。CdLS的诊断主要依靠临床表现和基因检测。目前，CdLS的治疗主要针对症状进行，如进行心脏手术、胃肠手术等。CdLS的预后取决于患者的病情严重程度和治疗方法的选择。CdLS是一种严重的遗传性疾病，对患者的生活质量造成严重影响。因此，早期诊断和治疗对于改善CdLS患者的预后至关重要[2]。

真核生物基因组是折叠成环状和拓扑相关区域（TAD）的结构，这些结构对染色质结构、基因调控和基因重组具有重要意义。这些结构依赖于连接蛋白复合物，这是一种环状DNA捕获腺苷酸三磷酸酶（ATPase）复合物，被认为通过外排形成环状结构。这种活性已在凝聚蛋白中观察到，它在中期形成环状结构，但在连接蛋白中尚未观察到。通过生化重建，我们发现单个人类连接蛋白复合物以每秒高达2.1千碱基对的速率对称地形成DNA环。环状结构的形成和维持依赖于连接蛋白的ATPase活性以及NIPBL-MAU2，而不是连接蛋白对DNA的拓扑捕获。在环状结构形成过程中，连接蛋白和NIPBL-MAU2位于环状结构的底部，这表明它们通过外排来生成环状结构。我们的结果表明，连接蛋白和NIPBL-MAU2形成一个活性全酶，通过与DNA的假拓扑或非拓扑相互作用，将间期基因组DNA外排成环状结构[3]。

连接蛋白加载因子（NIPBL）是维持3D基因组组织结构和功能的重要调节因子，通过与多种因子相互作用，例如连接蛋白、CCCTC结合因子（CTCF）或连接蛋白复合物成分。本文概述了NIPBL在连接蛋白加载到染色质和基因表达及转录信号传导中的关键和调节作用。我们探讨了NIPBL通过招募内源性组蛋白脱乙酰酶（HDAC）诱导组蛋白脱乙酰化和影响基因组多维度，通过NIPBL在染色质中的“跳跃”运动调节基因表达和改变基因组折叠的分子机制。NIPBL调节CTCF和连接蛋白进入染色质环和拓扑相关域的过程，通过连接蛋白和H3K4me3之间的相互作用连接启动子和增强子。HP1通过RNF8/RNF168泛素化途径将NIPBL招募到DNA损伤位点。NIPBL通过影响连接蛋白在染色体结构中的作用，调节基因组控制的基因表达。NIPBL与连接蛋白相互作用，然后增加REC8启动子的转录活性，导致基因表达上调。NIPBL在染色质环之间的运动通过动态改变基因组组织来调节基因表达。因此，我们期待对染色体的动态有新的深入理解，并探索基于NIPBL的潜在治疗策略[4]。

连接蛋白复合物在染色质环状结构形成中起着核心作用，但形成和维持这些长距离染色质相互作用的确切机制尚不清楚。我们证明，转录因子（TF）和连接蛋白加载因子NIPBL之间的相互作用调节增强子依赖性基因活性。利用质谱分析、基因组定位和单分子追踪方法，我们证明糖皮质激素（GC）受体（GR）与NIPBL和连接蛋白在染色质水平上相互作用，促进环状结构外排和长距离基因调控。实时单分子实验表明，失去连接蛋白会显著降低特定核限制位点的TF分子浓度，增加TF局部浓度并促进基因调控。最后，携带连接蛋白突变的来自患者的急性髓系白血病细胞对GC的反应降低，表明这些患者中GR-NIPBL-连接蛋白相互作用存在缺陷，导致对GC治疗的反应较差[5]。

连接蛋白介导的染色质环状结构与基因表达之间的关系尚不清楚。NIPBL和WAPL是连接蛋白活性的两个对立调节因子；减少任何一个都会导致广泛细胞类型中染色质折叠和转录的改变。然而，在相同细胞类型中直接比较它们对基因表达的单个和联合效应尚未见报道。我们发现，在人类HCT116细胞中减少NIPBL或WAPL的表达，每个都会改变约2,000个基因的表达，其中只有约30%的基因在两种条件下共享。我们发现，同一拓扑相关域（TAD）内表达差异的基因簇表现出协调的误表达，表明一些基因组区域对连接蛋白的增加或减少都特别敏感。最后，与单独敲除相比，NIPBL和WAPL的联合减少恢复了大多数基因的误表达。类似地，在CTCF共减少后，一组NIPBL敏感基因得到恢复。这些结果表明，由于连接蛋白活性降低而导致的转录改变可以通过去除其负调节因子（WAPL）或限制环状结构外排事件的物理屏障（CTCF）来功能性地抵消[6]。

Haploinsufficiency for Nipbl，一种连接蛋白加载蛋白，导致Cornelia de Lange综合征（CdLS），最常见的“连接蛋白病”。据推测，Nipbl-haploinsufficiency的效应是由于DNA元件之间长距离通讯的破坏。在这里，我们使用CdLS的斑马鱼和鼠模型来检查Nipbl缺陷引起的转录改变如何导致肢体缺陷，这是CdLS患者常见的状况。在斑马鱼的胸鳍（前肢）中，Nipbl表达的下调导致大小减小和图案缺陷，这些缺陷发生在关键的早期肢体发育基因（包括fgfs、shha、hand2和多个hox基因）的失调表达之前。在Nipbl-haploinsufficient小鼠的肢体芽中，转录组分析揭示了类似的基因表达改变，以及额外基因类别的表达改变，这些基因在肢体发育中发挥作用。在这两种物种中，hox基因表达的失调模式取决于Hox簇中的基因组位置。鉴于研究表明Nipbl与Mediator复合物共定位，Mediator复合物促进增强子-启动子通讯，我们还检查了Med12 Mediator亚基缺乏的斑马鱼，发现它们在形态和基因表达方面与Nipbl缺乏的鱼相似。此外，三维荧光原位杂交显示，Nipbl和Med12对于将包含长距离增强子的区域带到斑马鱼hoxda簇附近是必需的。这些数据表明Nipbl在肢体发育中起着至关重要的作用，并支持了这样一种观点，即它对多个基因通路的调节作用源于它和Mediator共同影响长距离染色质相互作用的调节[7]。

CdLS是一种严重的遗传性疾病，表现为多系统畸形。CdLS是由于NIPBL、SMC1A、SMC3、RAD21和HDAC8基因的致病性变异引起的，这些基因属于连接蛋白途径。连接蛋白在染色单体连接、基因表达和DNA修复中发挥着关键作用。在本综述中，我们将讨论这些生物学过程的改变如何导致CdLS表型，并将强调CdLS治疗方法的最新进展[8]。

综上所述，Nipbl是一种重要的细胞内蛋白质，对维持基因组稳定性和调节基因表达具有关键作用。Nipbl在多种生物学过程中发挥着重要作用，包括细胞分裂、细胞分化、发育和代谢。Nipbl在多种疾病中发挥着重要作用，包括遗传性疾病和癌症。此外，Nipbl还具有独立的染色质调控功能，影响基因表达和干细胞的多能性维持。Nipbl的研究有助于深入理解RNA表观遗传修饰的生物学功能和疾病发生机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。