子科生物報道：基因轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)三維結構關系的研究一直是分子生物學領域的研究熱點和難點，也存在爭論。一方面，以往在哺乳動物細胞發(fā)育和疾病模型中的研究表明，活躍轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)區(qū)域通常具有較高頻率的染色質(zhì)互作（Zheng et al., 2019），而在果蠅細胞中，染色質(zhì)高級結構甚至可以僅通過轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)來模擬（Hug et al., 2017; Rowley et al., 2017; Rowley et al., 2019）。先前的研究也表明，轉(zhuǎn)錄可以促進粘連蛋白(Cohesin)在染色質(zhì)上的重新定位從而調(diào)控三維染色質(zhì)結構（Busslinger et al., 2017; Heinz et al., 2018）。

另一方面，近來的研究發(fā)現(xiàn)，在胚胎發(fā)育早期，轉(zhuǎn)錄抑制對三維染色質(zhì)結構（TADs）沒有顯著影響（Ke et al., 2017; Du et al., 2017）。其主要原因是由于受測序深度的限制，較難準確描繪出更精細的三維結構變化。同時，由于轉(zhuǎn)錄抑制劑起效慢、特異性低，也加大了確定轉(zhuǎn)錄過程本身和轉(zhuǎn)錄狀態(tài)（相關的表觀遺傳修飾、非編碼RNA）在其中的作用的難度。

2020年7月2日，北京大學生命科學學院季雄課題組在Genome Biology雜志在線發(fā)表了題為“Genome-wide analyses of chromatin interactions after the loss of Pol I, Pol II and Pol III”的研究論文。在該項研究中，作者運用改造的特異蛋白泛素化瞬時降解系統(tǒng)（degron），結合其實驗室稍早前開發(fā)的高效的染色質(zhì)高級結構解析技術BAT Hi-C ( Bridge linker-Alul-Tn5 Hi-C, 2020年1月1日 發(fā)表于 Methods 雜志, Huang et al., 2020)，系統(tǒng)闡述RNA聚合酶I/II/III (Pol I/II/III)對哺乳動物細胞染色質(zhì)高級結構的直接和間接調(diào)控并且表明染色質(zhì)三維結構相對穩(wěn)定。

Pol I/II/III作為整個基因表達過程上游的核心因子，分別負責rRNA, mRNA，tRNA等的轉(zhuǎn)錄，這一過程需要協(xié)調(diào)大量的轉(zhuǎn)錄因子，它們既可能和染色質(zhì)結構蛋白及非編碼RNA互作從而直接組織染色質(zhì)三維結構，也有可能通過轉(zhuǎn)錄下游效應間接發(fā)揮功能。為了回答這些問題，論文首先利用蛋白質(zhì)瞬時降技術，在小鼠胚胎干細胞（mESCs）中特異性降解Pol I/II/III。結合BAT Hi-C技術，系統(tǒng)地描繪了RNA聚合酶降解前后染色質(zhì)的三維結構圖譜，并發(fā)現(xiàn)Pol I/II/III降解對TADs和Compartments等較大尺度的染色質(zhì)結構高級結構影響有限。有趣的是，Pol II在細胞周期中的降解并不妨礙染色質(zhì)高級結構的形成，表明轉(zhuǎn)錄不是三維染色質(zhì)結構建立所必需的。

結合更高精度的染色質(zhì)結構解析技術（HiChIP, OCEAN-C），作者發(fā)現(xiàn)Pol II特異性降解對小尺度染色質(zhì)結構的影響更為顯著，通過分別分析Pol I/II/III降解前后高富集區(qū)的結構變化，發(fā)現(xiàn)Pol I/II/III在維持局部的精細染色質(zhì)結構方面起到了一定的作用。隨后在不同時間點降解Pol II處理，觀察到長時間Pol II降解（>6 hr）會改變?nèi)旧|(zhì)的開放性和Cohesin蛋白在染色質(zhì)上的結合，因此說明Pol II可以間接調(diào)控染色質(zhì)的高級結構。綜上所述，本工作系統(tǒng)地描述了哺乳動物細胞RNA聚合酶I/II/III (Pol I/II/III)對維持染色質(zhì)三維結構的相對穩(wěn)定起到了直接和間接的調(diào)控作用，為解析基因轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)三維結構二者之間的關系提供了更準確的依據(jù)，也為研究其他因素對染色質(zhì)高級結構的調(diào)控提供了新的思路。

北京大學生命科學學院季雄研究員是這兩篇文章的通訊作者，季雄課題組博士生蔣永鵬 (CLS 2016級)、博士后黃捷、博士生倫可環(huán) (CLS 2017級)、李伯源 (PTN 2017級) 是本文的共同第1作者，北京大學生命科學學院李程和胡家志等老師為本文提供了重要幫助，季雄課題組的其他成員也為本文提供了不同程度的幫助。此外黃捷、蔣永鵬為稍早前BAT Hi-C方法學文章的共同第1作者。以上研究受到國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃、北大-清華生命科學聯(lián)合中心，生命科學學院和細胞增殖與分化教育部重點實驗室的大力支持與資助。