Mol Cell | 拓扑异构酶I/II在不同基因组尺度上促进凝缩蛋白易位以调节X染色体转录抑制

2022-12-03 15:04:21, Qi

撰文 | Qi

真核生物基因组压缩在整个细胞周期中都受到动态调节，以适应基本功能，包括间期的基因表达和分裂期的染色体分离，实现压缩的一个关键机制是DNA环的形成。DNA环能将线性距离相距很远的序列拉到一起进而调节基因表达。上述过程由进化保守的称为染色体结构维持蛋白（SMC）复合物的家族来完成，但SMC复合物可能会受到DNA超螺旋和相互缠绕的挑战。拓扑异构酶是具有DNA切割和重新连接活性的酶家族，拓扑异构酶II和凝缩蛋白（condensin）的失活导致两种主要表型：染色体压缩受损和无法解开姐妹染色单体，在没有凝缩蛋白的情况下，拓扑异构酶II诱导的DNA纠缠增加，提示凝缩蛋白可以调节拓扑异构酶II的活性，从而解开姐妹染色单体【1-3】。然而，在整个细胞周期中不断产生的DNA超螺旋和相互缠绕如何反过来影响凝缩蛋白和其他SMC复合物的环挤压还不得而知。

近日，来自纽约大学基因组学与系统生物学中心的Sevinc Ercan团队在Molecular Cell杂志上发表了文章 Topoisomerases I and II facilitate condensing DC translocation to organize and repress X chromosomes in C. elegans ，他们利用ChIP-seq、mRNA-seq和Hi-C分析了介导秀丽隐杆线虫中X染色体剂量补偿的间期中凝缩蛋白的结合和功能。TOP-2的损耗阻碍了凝缩蛋白-DC的长距离扩散，导致其在rex（recruitment elements on the X, 即X染色体上的募集元件）位点附近积累，并缩短了3D DNA接触。TOP-1的缺失导致凝缩蛋白-DC和RNA Pol II的基因体积累，揭示了凝缩蛋白-DC转位的两种不同模式。此外，他们发现TOP-1和TOP-2的缺失会导致X染色体去抑制，表明凝缩蛋白-DC在两个尺度上的易位都是其功能所必需的。

如果拓扑异构酶调节凝缩蛋白-DC易位，它们可能在染色质上共定位。为了验证这一点，作者利用ChIP-seq发现Top1/2在rex位点富集并与X染色体启动子结合，TOP-2相较于TOP-1来说富集程度更强。为了确定拓扑异构酶对凝缩蛋白-DC介导的全染色体转录抑制的功能影响，作者在生长素介导的TOP-1和TOP-2分时程耗竭的条件下进行了mRNA-seq，发现X染色体基因表达随着耗尽时间的延长而逐渐增加。随后，作者推断TOP-2可能通过 DNA 连接和结的解开来调节凝缩蛋白-DC的环挤压。为了验证这个想法，作者在 1 小时生长素处理耗尽 TOP-2 的幼虫中进行了 Hi-C。TOP-2缺失后，X染色体上拓扑关联结构域 (TAD) 较弱，但对常染色体没有明显影响，提示TOP-2是X染色体3D组织的重要性。rex-rex相互作用是X染色体上最常见的远程相互作用之一，在TOP-2耗尽后，两者的互作消失，提示TOP-2是凝缩蛋白-DC环挤压能力所必需的。

为了验证TOP-2对于凝缩蛋白-DC合成能力的必要性，作者在TOP-2耗尽1小时后通过ChIP-seq分析了凝缩蛋白-DC结合。DPY-27 ChIP-seq在无标记生长素和无标记生长素对照中的rex位点富集较强且较窄，中等峰值均匀分布于X染色体上，在TOP-2降解后，DPY-27结合集中在强rex位点周围，并以距离依赖性方式逐渐降低。随后作者将DPY-27 ChIP-seq分数绘制为与最近的强rex站点的距离的函数来量化DPY-27扩散。虽然无标签生长素对照幼虫中的凝缩蛋白-DC分布均匀，但在TOP-2耗尽后，DPY-27 ChIP-seq信号随着与rex位点距离的增加而逐渐下降。

图1. 在没有TOP-2的情况下，凝缩蛋白-DC的扩散受到阻碍

接下来，作者想知道TOP-1是如何促进凝缩蛋白-DC介导的X染色体抑制的。与TOP-2不同，TOP-1消耗对凝缩蛋白-DC的远程扩散没有任何影响。此外，TOP-1和TOP-2的双重耗尽并没有增强凝缩蛋白-DC在单次TOP-2耗尽中观察到的强rex位点周围的积累。与对凝缩蛋白-DC的远程易位缺乏影响一致，TOP-1的消耗并未缩短X染色体的3D DNA接触的范围。相反，TOP-1耗尽导致基因体内和转录末端位点周围的DPY-27 ChIP-seq信号增加。由于RNA Pol II在更长的距离上延伸而产生的更强的超螺旋积累相关，如果TOP-1耗尽导致转录诱导的超螺旋的积累，它也应该阻碍RNA Pol II的进展。实际上作者发现在TOP-1耗尽1小时后，RNA Pol II ChIP-seq显示转录起始位点周围的信号减少，X和常染色体上基因体内的信号增加。总之，这些结果表明，TOP-1对转录产生的超螺旋的解开是凝缩蛋白-DC跨基因体易位和X染色体转录抑制所必需的。

图2. 拓扑异构酶I和II调节凝缩蛋白-DC易位的模型

总之，这项工作证明拓扑异构酶I和II在不同基因组尺度上调节凝缩蛋白-DC易位。TOP-1是凝缩蛋白-DC跨转录基因的短程易位所必需的，TOP-2是凝缩蛋白-DC的远程易位所必需的，即能在数百kb的距离上产生3D DNA接触。破译SMCs的环挤压如何受到染色质纤维固有因素的影响，将有助于更好地理解基因组在整个细胞周期中动态组织的机制。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2022.10.002

制版人：十一

参考文献

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