コヒーシンとCTCFは染色体の折り畳みのダイナミクスを制御する

Jun 12, 2023

Nature Genetics volume 54、pages 1907–1918 (2022)この記事を引用

12,000 アクセス

26 件の引用

92 オルトメトリック

メトリクスの詳細

哺乳類では、トポロジー的に関連するドメイン内の配列間の相互作用により、長いゲノム距離にわたる遺伝子発現の制御が可能になります。 しかし、そのような接触がどのくらいの頻度で起こり、どのくらいの時間持続するのか、またそれらが染色体の折り畳みやコヒーシンのループ押し出し活性の動態にどのように依存するのかは不明である。 生細胞における染色体の位置を高い空間的および時間的解像度で画像化することにより、トポロジカルに関連するドメイン内の相互作用は一時的であり、細胞周期の過程で頻繁に発生することを示します。 収束した CTCF 部位の存在下では相互作用がより頻繁かつ長くなり、その結果、経時的な染色体の折り畳みの変動が抑制されます。 染色体動態の物理モデルによって裏付けられた我々のデータは、CTCF アンカーループが約 10 分間続くことを示唆しています。 今回の結果は、長距離の転写制御が一時的な物理的近接性に依存している可能性があり、コヒーシンとCTCFが非常に動的な染色体構造を安定化し、染色体相互作用の選択されたサブセットを促進することを示している。

哺乳動物細胞では、染色体配列間の相互作用が、DNA 複製 1、修復 2、遠位エンハンサーによる転写制御 3 などの基本的なプロセスにおいて重要な役割を果たしています。 固定細胞内のゲノム配列間の物理的近接性を測定する染色体立体構造捕捉（3C）法により、染色体の接触が、トポロジー関連ドメイン（TAD）4,5として知られる優先的相互作用のサブメガベースドメインに組織化されており、その境界が調節配列を機能的に遮断できることが明らかになった3。 TAD は主に、DNA 結合タンパク質 CTCF の収束方向の結合部位間のネステッド相互作用から生じます。この相互作用は、クロマチン結合 CTCF がコヒーシン複合体のループ押し出し活性を阻止することで確立されます 6、7、8、9、10。

TAD 内の染色体相互作用のタイミングと期間、およびそれらと CTCF およびコヒーシンとの関係を決定することは、エンハンサーがプロモーターとどのように通信するかを理解する鍵となります 11,12。 固定細胞における染色体構造の単一細胞解析4,13,14,15、染色体追跡実験16,17,18,19、インビトロ9,10,20およびCTCFおよびコヒーシンダイナミクスの生細胞21測定、およびポリマーシミュレーション6,15、 22、および染色体の位置と新生RNAの生細胞イメージング23、24はすべて、TADとCTCFループが動的構造であり、その時間的進化がループ押し出しの動態によって支配される可能性があることを示唆しました25。 マウス胚性幹細胞 (mESC) の 2 つの反対側の TAD 境界を接続する CTCF ループの最近の生細胞測定により、これが事実であるという直接的な証拠が提供され、CTCF 部位間のコヒーシン媒介ループが 500 キロベース (kb) 離れた位置にあることが明らかになりました。 –30 分 (参考文献 26)。 しかし、同じTAD内でエンハンサーとプロモーターが相互作用するゲノム距離で離れた配列間の接触が、秒、分、または時間のタイムスケールで起こるかどうかはまだ不明である。 また、そのような接触の速度と持続時間がループ押し出しによって調整されるかどうか、またどのように調整されるかについてもほとんど知識がありません。 コヒーシンが染色体の移動性を高め、ゲノム配列をループに巻き込むことでゲノム配列間の出会いを促進するのか、それとも代わりに移動性を低下させ、そのような出会いの時間を延長する制約を与えるのかは、最終的にはわかっていない。 どちらのシナリオも理論的には可能であることが示唆されています 27,28 が、生細胞においてどちらの効果が優勢であるかは不明です。

今回我々は、生細胞蛍光顕微鏡を用いて、mESCにおける染色体の動態とコヒーシンおよびCTCFへの依存性を測定した。 2つの生細胞イメージング戦略とポリマーシミュレーションを組み合わせることで、コヒーシンによって押し出されたループが染色体の全体的な動きを制限すると同時に、同じTAD内の配列間の物理的遭遇の時間的頻度と持続時間を増加させることを明らかにしました。 収束 CTCF 部位は、平均して約 5 ～ 15 分間持続するコヒーシン媒介 CTCF アンカー ループを通じて接触を実質的に安定化します。 我々の結果は、単一のTAD内の染色体構造は細胞周期の期間中非常に動的であるため、長距離の転写制御はゲノム配列間の一時的な物理的近接性に依存している可能性があるという考えを裏付けるものである。 また、染色体の折り畳みにおける接触ダイナミクスと時間的変動が、単一生細胞においてコヒーシンとCTCFによってどのように調節されるのかも明らかにし、基本的な生物学的プロセスにおける折り畳みダイナミクスの役割を理解するための定量的枠組みを提供します。