CTCF与RNA的相互作用如何调控细胞特有的染色体结构

在生物学中，一个核心问题是单个细胞如何分化为多种细胞类型。尽管细胞拥有相同的基因组，但不同的基因表达模式造就了多细胞生物的多样组织，而基因组的非随机结构组织对维持细胞特异性的转录程序（进而确立细胞特性和功能）至关重要。染色质环是基因组结构的基本单元，指基因组中某些区域在空间上比间隔序列更接近。CCCTC结合因子（CTCF）是维持哺乳动物染色质环（及拓扑关联结构域TAD）的核心蛋白，但其如何实现细胞特异性染色质环的形成和维持，尤其是其RNA结合区域（如ZF1）在细胞分化过程中的作用，此前尚不明确。

为探究这一问题，研究团队以小鼠胚胎干细胞（ESC）向神经前体细胞（NPC）的分化为模型，构建了CTCF-AID2降解系统。该系统可降解内源性CTCF，并通过多西环素诱导表达野生型（WT）或ZF1缺失型（∆ZF1）的CTCF，用于后续功能拯救实验。结合Micro-C（检测染色质相互作用）、ChIP-seq（分析蛋白质-DNA结合）、RNA-seq（研究基因表达）和iCLIP2（鉴定CTCF-RNA相互作用）等技术，团队揭示了CTCF-ZF1-RNA相互作用在细胞特异性染色质环维持中的关键作用。

研究结果显示：首先，CTCF-∆ZF1会破坏分化特异性染色质环。与WT相比，表达∆ZF1的ESC或NPC中，大量染色质环丢失，尤其是ESC分化为NPC过程中新增的NPC特异性环。其次，这种环破坏并非由于CTCF与DNA结合减少或 cohesin（维持环结构的蛋白复合物）结合改变。ChIP-seq证实，CTCF和cohesin亚基（如Rad21、Smc3）在环锚点的结合未受影响，说明ZF1的作用独立于DNA结合或cohesin相互作用。再次，环破坏导致基因表达异常。NPC中∆ZF1表达使2000多个基因表达失调，其中许多与神经发生和神经系统发育相关，且这些基因富集于被破坏的染色质环内。最后，鉴定出NPC特异性CTCF-ZF1相互作用RNA。iCLIP2发现NPC中特有的与CTCF-ZF1结合的RNA，如Podxl和Grb10。通过CRISPR截断这些RNA后，其基因座处的染色质环强度显著降低，与∆ZF1的效果类似。

综上，该研究表明CTCF的ZF1区域通过与细胞特异性RNA（如Podxl、Grb10）相互作用，维持分化过程中形成的细胞特异性染色质环，这对稳定基因表达和维持细胞特性至关重要。此机制为理解细胞分化中基因组结构动态调控提供了新视角。