Nipbl-KO 基因敲除小鼠

Nipbl，也称为Nipped-B-like蛋白，是一种重要的蛋白，在维持基因组稳定性、基因表达和染色体结构中发挥关键作用。Nipbl是一种辅因子，与着丝粒蛋白复合物（cohesin）相互作用，负责将cohesin加载到染色体上，从而维持染色体的结构。cohesin是一种环状DNA-捕获ATP酶复合物，通过挤出DNA形成环状结构，对染色质结构、基因调控和基因重组起着重要作用。

在动物模型中，Nipbl缺乏会复制Cornelia de Lange综合征（CdLS）中观察到的基因表达变化和出生缺陷。CdLS是一种罕见的、临床变异性较大的疾病，影响多个器官，包括智力障碍、面部特征、生长迟缓、多毛症等。Nipbl基因的突变是CdLS最常见的原因，占CdLS患者的70%[2]。

Nipbl在胚胎发育过程中起着重要作用。在Nipbl缺乏的小鼠胚胎中，早期心脏发育就出现了异常。这些胚胎的间充质细胞数量较少，间充质细胞亚群的比例也发生了改变。这些发现与特定间充质谱系的基因表达下调有关。此外，Nanog在所有胚层中都被过度表达，许多在Nipbl缺乏胚胎中观察到的基因表达变化都可以归因于Nanog的过度表达。这些发现建立了Nipbl缺乏、Nanog过度表达和基因表达失调/谱系错位之间的联系，这些最终表现为Nipbl缺乏动物和CdLS中的出生缺陷[1]。

除了在胚胎发育中的作用外，Nipbl还在维持基因组稳定性中发挥重要作用。Nipbl通过与许多因子相互作用，如着丝粒蛋白、CCCTC结合因子（CTCF）或着丝粒蛋白复合物成分，调节染色质的结构和功能。Nipbl还通过招募内源性组蛋白脱乙酰化酶（HDAC）诱导组蛋白脱乙酰化，影响基因表达和转录信号。Nipbl的运动在染色质中调节基因表达，并通过动态改变基因组组织来调节基因表达[3]。

Nipbl还与介体复合物协同调节基因表达，以控制肢体发育。在CdLS中，Nipbl的杂合子不足导致肢体缺陷，这是CdLS患者常见的症状。在斑马鱼和小鼠模型中，Nipbl表达的敲低导致肢体尺寸减小和模式缺陷，这些缺陷先于关键早期肢体发育基因（如fgfs、shha、hand2和多个hox基因）的表达失调。这些数据表明Nipbl在肢体发育中起着至关重要的作用，并且支持了Nipbl通过与介体协同影响长距离染色体相互作用来调节多个基因通路的观点[6]。

Nipbl还与糖皮质激素受体（GR）相互作用，以促进长距离基因调控。糖皮质激素受体是一种转录因子，与着丝粒蛋白加载因子NIPBL和着丝粒蛋白复合物在染色质水平上相互作用，促进环状DNA的形成和长距离基因调控。在缺乏着丝粒蛋白的患者来源的急性髓性白血病细胞中，对糖皮质激素的反应降低，这表明这些患者中的GR-NIPBL-着丝粒蛋白相互作用存在缺陷，导致对糖皮质激素治疗的反应不佳[4]。

Nipbl与WAPL共同调节着丝粒蛋白活性，以纠正基因表达异常。着丝粒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是两种对立的着丝粒蛋白活性调节因子；它们的耗竭与广泛细胞类型中染色质折叠和转录的改变有关。然而，在相同细胞类型中比较它们对基因表达的影响的直接比较尚缺。研究发现，在人类HCT116细胞中耗竭NIPBL或WAPL会改变约2000个基因的表达，其中只有约30%的基因在这两种条件下共享。研究发现，同一拓扑相关结构域（TAD）内不同表达的基因簇显示出协调的错表达，表明一些基因组区域对更多的或更少的着丝粒蛋白尤其敏感。最后，NIPBL和WAPL的共同耗竭与单独敲低相比，恢复了大多数基因错表达。与NIPBL敏感性基因在CTCF共同耗竭后得到恢复的情况类似。这些结果表明，由于着丝粒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DNA形成的物理障碍（CTCF）来功能性补偿[5]。

Nipbl还参与核形态的形成。在粒细胞祖细胞中，NIPBL的耗竭导致核结构的组装，包括马蹄形、带状、环状和过度分段的核结构，并导致核体积减少，这与粒细胞分化过程中观察到的现象相似。NIPBL的耗竭还导致细胞周期阻滞，激活粒细胞特异性基因程序，并导致TAD之间的相互作用减少，产生类似于分化粒细胞的染色质结构。NIPBL的去除导致巨型环和包含粒细胞特异性增强子库和炎症基因程序的染色体间连接点的富集。这些观察结果表明，在粒细胞祖细胞中，环状DNA挤出程序产生谱系特异性染色质结构，使染色体能够包装成几何受限的叶状结构。这些数据还提供了一个组装多叶状结构的蓝图，并指出了通过重新设计核形状来促进效应细胞在肿瘤发生环境中的迁移的可能性[7]。

综上所述，Nipbl是一种重要的蛋白，在维持基因组稳定性、基因表达和染色体结构中发挥关键作用。Nipbl的缺乏与CdLS等疾病的发生和发展密切相关。Nipbl的研究有助于深入理解着丝粒蛋白复合物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。