哺乳動物的發育和細胞命運決定是生物學的核心研究問題之一。哺乳動物的生命起源于受精卵，通過發育過程分化為數百種不同類型的細胞，形成生物個體。細胞分化和命運決定依賴于複雜和動态的基因調控。近年來的研究發現，細胞核内的DNA通過折疊和壓縮形成染色質高級結構，染色質高級結構參與基因的轉錄調控。不同類型的細胞具有特異的染色質高級結構，但是它們如何形成的機制和功能尚不完全清楚。2022年朱大海/張勇團隊首次報道了經典骨骼肌特異的先鋒轉錄因子MyoD作為3D基因組組織者在建立和維持骨骼肌幹細胞特異染色質高級結構中的新功能（Wang et al. Nature Communications 2022）。而CTCF作為關鍵染色質架構蛋白，與染色質高級結構的建立和維持密切相關。以往研究表明，CTCF的缺失會導緻多種細胞分化和組織發育缺陷，包括影響記憶和學習能力、心血管發育、血液細胞分化以及肢端發育等。然而，在各種組織中普遍表達的CTCF如何通過建立細胞譜系特異染色質高級結構調控決定細胞命運基因表達的分子機制尚不清楚。

2023年10月17日，中國醫學科學院基礎醫學研究所張勇教授、廣州生物島實驗室朱大海教授和北京大學生命學院李程研究員研究組合作，在《Cell Reports》期刊上發表了"CTCF coordinates cell fate specification via orchestrating regulatory hubs with pioneer transcription factors"的研究論文。研究人員利用多組學測序、CTCF/MyoD基因敲除的小鼠模型、CTCF結合位點的基因編輯以及CRISPR成像技術，在骨骼肌分化和再生系統中深入研究了CTCF在細胞命運決定中的分子機制。研究表明，CTCF與細胞類型特異的先鋒轉錄因子（pioneer transcription factor）協同形成染色質互作樞紐，共同調控譜系特異下遊基因的表達，從而決定細胞分化的命運。

研究者首先利用已發表的人和小鼠原位肝髒細胞、骨骼肌細胞和B細胞的公共組學數據進行數據挖掘。通過整合分析CTCF結合、基因表達和染色質高級結構組學數據，發現CTCF在染色質的結合位點分為細胞類型保守位點和細胞類型特異位點，後者與譜系特異的先鋒轉因子共定位。這些譜系特異CTCF結合位點也富集在譜系特異的調控元件如超級增強子（super enhancer）和染色質環錨點（chromatin loop anchor），提示它們參與譜系特異功能基因的表達調控。

為了研究譜系特異先鋒因子參與調控CTCF與染色質結合的機制，研究者利用骨骼肌譜系轉錄因子MyoD敲除小鼠，發現MyoD敲除導緻骨骼肌細胞特異的CTCF結合位點信号減弱，并伴随着這些位點染色質開放性的下降。與此相反，細胞類型保守的CTCF結合位點和染色質開放性不受MyoD敲除的影響。在肝髒細胞和B細胞中也觀察到譜系特異的CTCF結合與染色質的開放性呈正相關。這些結果提示先鋒轉錄因子通過增加染色質開放性，協助CTCF結合在譜系特異的調控元件處。

為了研究譜系特異的CTCF結合在染色質結構和基因表達調控中的作用，研究者利用CRISPR成像分别觀察MyoD敲除和CTCF結合改變對骨骼肌分化的關鍵基因Actc1調控的影響。在MyoD敲除的小鼠中，MyoD/CTCF共同結合形成的Actc1位點染色質互作樞紐相關的啟動子、增強子之間的空間距離顯著變遠，而回補MyoD的表達恢複了這些位點之間的距離。敲除或者阻滞在Actc1位點附近的CTCF結合位點序列也破壞了染色質互作樞紐的緊密性，伴随着Actc1基因表達下降。這些結果表明， CTCF通過形成譜系特異的染色質互作樞紐參與調控譜系功能基因的轉錄調控。

最後，作者使用CTCF敲除小鼠探索了CTCF對骨骼肌分化和再生的影響。結果表明在骨骼肌幹細胞中特異性敲除CTCF後，骨骼肌幹細胞分化基因表達下調，骨骼肌幹細胞分化能力減弱，小鼠骨骼肌再生能力明顯下降而無法修複損傷的肌纖維。這些結果表明CTCF在骨骼肌幹細胞的分化和再生過程中發揮着十分重要的作用。

圖1：CTCF和先鋒因子協同形成染色質互作樞紐，決定細胞分化和命運

綜上，該研究利用生物信息數據挖掘和體内外功能實驗驗證，揭示了染色質架構蛋白CTCF作為細胞命運決定cofactor協助譜系特異先鋒轉錄因子調控細胞命運決定基因表達，參與細胞命運決定的分子機制（圖1）, 更重要的是生物信息分析提示該機制可能在哺乳動物多個細胞譜系中普遍存在。因此，本研究結果為深入理解和進一步擴展CTCF與譜系特異先鋒因子相互作用形成regulatory hub調控細胞命運的普遍生物學意義具有啟示作用。

beat365官方网站博士生劉玉婷（現耶魯大學博士後）、中國醫學科學院基礎醫學研究所博士生萬鑫、廣州實驗室副研究員李虎博士為論文的共同第一作者。中國醫學科學院基礎醫學研究所張勇教授、廣州生物島實驗室朱大海教授、beat365官方网站李程研究員是論文的共同通訊作者。軍事醫學研究院陳河兵副研究員和北京大學季雄研究員為該研究提供了重要幫助。

論文鍊接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2211124723012718

李程研究組介紹：http://3d-genome.life/