https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2015.11.013
Pre:
??基因的轉錄表達精確復雜，對細胞的生長，發(fā)育，分化至關重要！人們對于基因的初步認識是線性的，它上面有編碼區(qū)，非編碼區(qū)。有啟動子，增強子，絕緣子等元件。在細胞核中，線性的DNA分子會折疊形成的高級結構。在這個折疊的過程中，調控元件區(qū)域（如增強子，絕緣子等區(qū)域）會靠近啟動子區(qū)域從而導致基因表達上調。伴隨著3D基因組的不斷研究，發(fā)現(xiàn)空間結構對于基因的表達調控有非常重要的作用。
??Q：為什么空間結構對于基因的表達調控很重要呢？
????空間構象發(fā)生了改變，導致啟動子和增強子等調控元件靠近，基因的表達發(fā)生了變化
????（圖片來源：基于Hi-C技術哺乳動物三維基因組研究進展 DOI: 10.16288/j.yczz.18-317 ）
??在形成DNA折疊的過程中，有很多蛋白質發(fā)揮了重要的作用。染色質高度相互的domain（結構域）被稱為 TADs（topologically associating domains）。很多的證據表明，這些TADs橫跨了很多domain（比如說DNA復制時期Domain，進化重排domian等）。幫助TAD形成的蛋白，被稱為架構蛋白（arichitecture protein， AP）當把敲出這些架構蛋白以后，基因的表達將會受到影響。具體一點，基因的表達調控和這些架構蛋白的數(shù)量，蛋白的結合方向等有關系呢？這些成為了科學家們的關注重點。
??這篇文章主要是先回顧了果蠅和脊椎動物的架構蛋白情況，然后討論了蛋白缺失后，對染色質的互作和基因轉錄的影響。最后，討論了結構蛋白對3D基因組模型的作用（從架構蛋白的量，性質和結構蛋白結合的方向角度出發(fā)）
1：架構蛋白（Architectural protein）
??在哺乳動物中，CTCF(CCCTC-bing factor)蛋白是主要被研究的架構蛋白。但是在果蠅里面，有很多結構蛋白被研究的很清楚了，如Associated Factor 32 (BEAF-32), Suppressor of Hairy-wing [Su(Hw)], Transcription Factor IIIC (TFIIIC), Z4 (also called Putzig), Insulator binding factor 1 and 2 (Ibf1 and Ibf2), Pita,Zn-finger Protein Interacting with CP190 (ZIPIC) 。當這些結構蛋白結合到蛋白結合位點以后。會招募一系列相關的蛋白如（CP190, Modifier of mdg4 [Mod(mdg4)], Rad21, CAP-H2,等等）。他們會形成一個復合物。被稱為APBS（位點+架構蛋白+結合因子）
??在哺乳動物中，CTCF和cohesin這兩個架構蛋白最主要。除了這兩個以外，還有別的比如說YY1,TFIIIC(果蠅)等。還有一些轉錄因子（POZ-Zn fingre, MAZ,ZNF143等等）對染色質的三維結構有一定的作用。一些鋅指結構的蛋白通過識別一些特殊的位點對高級結構也有一定的影響。
2：通過架構蛋白介導遠距離互作
??通過Hi-C和ChIA-PET實驗，可以在不同的細胞系上進行實驗發(fā)現(xiàn)，CTCF和cohesin在TAD的邊緣富集。但是很多證據表明，在哺乳動物中，不僅僅是通過CTCF和cohesin去介導遠距離相互作用，在GM12878中，只有30%的互作是由CTCF介導的，54%的互作只有一邊有CTCF。此外，還有Rad21/smc1a（cohesin復合物亞基）介導的遠距離互作也只有41%、35%。Znf143, YY1, 和 TFIIIC，一些tRNA 基因，SINE元件都可以在遠距離調控上發(fā)揮作用。
??在細胞的分化中，TAD的形成還是很穩(wěn)定的，但是架構蛋白的結合位點是靈活的。有意思的是CTCF的在全基因組上的位點是保守的。而且，一些多能轉錄因子。比如說Oct4,Nanog,Klf4等，如果把這些多能轉錄因子敲除，導致了細胞內多能行的染色質互作減少。說明，多能轉錄因子對的啟動子-增強子的互作有一定的影響，可以幫助招募cohesin,從某種程度上來說，可以穩(wěn)定interaction。
3：架構蛋白的刪除可以導致異位染色質接觸（ectopic chromatin interactions ）影響轉錄
??通過RNAi的方法，把CTCF敲除，通過Hi-C可以看到TAD內部的互作減少，TAD之間的互作增加了。舉個例子，當把X染色體上的CTCF的區(qū)域刪掉（58Kb）導致了染色質間的相互作用增強了。此外，用CRISPER-Cas9技術，可以特定區(qū)域的CTCF敲除，比如把Hoxa6（活躍表達）和Hoxa7（沉默）的CTCF敲除，發(fā)現(xiàn)Hoxa7的基因被激活而且通過4C技術發(fā)現(xiàn)了一個新的相互作用。此外，還有通過把TAD邊界的CTCF刪除導致多指癥的情況，都說明CTCF作用非常重要。
4 占據的位置可能決定了其功能----建立特殊的3D結構
APBS占據比較少的地方，可能是sub-TAD的邊界或者是TAD互作弱的地方。當APBS占據比較多的地方（strong border）顯示TAD的界限明晰
??在TAD的界定上，一直是基于它們的相互作用的強弱來看的。TAD（熱圖）顯示了染色質互作之間的接觸頻率。為了明確TAD/sub-TAD,界定一個border是非常必要的。TAD的APBS的強度高sub-TAD，除了CTCF，還有一些CTCF的同源蛋白BORIS等，和CFCF會共定位在一些位點上。幫助形成3D結構
5：架構蛋白的方向指導了loop的形成
??哺乳動物中，高級結構的形成依賴于CTCF的結合方向，但是在果蠅中沒有這種情況出現(xiàn)。在哺乳動物中，絕大部分的CTCF的方向是相對的。（90%，GM12878數(shù)據）而且在其他的細胞系中也觀察到了類似的情況。 但是也有同向的CTCF，比如說在小鼠中， Igh 位置上， intergenic control region1 (IGCR1)有反向的CTCF，它需要依賴于其他的同向的CTCF構成loop。這種反向CTCF形成loop的模式在斑馬魚，小鼠等其他物種是保守的。
??在人protocadherin（Pcdh）基因簇中，CTCF在調節(jié)增強子-啟動子選擇中起重要作用。因為它隨機負責Pcdh的表達情況。（既然CTCF那么重要，如果把一些特定的CTCF敲除會如何？）當把CTCF敲出以后，在用4C去看圖譜的時候發(fā)現(xiàn)，相向的CTCF會受到影響。（同向和反向的不會）
6：loop 擠壓模型解釋了CTCF的方向性對LOOP的形成作用
??一個比較有意思的問題是這些CTCF是如何作用于3D結構的形成的呢？有2種解釋的模型機制。
模型一：當cohesin結合上去的時候，會擠壓DNA形成環(huán)，慢慢伴隨著cohesin的移動，這個環(huán)會形成。直到遇到了兩個相向的CTCF。就停止了
模型二：當CTCF結合到了特定的DNA序列上時就導致了DNA開始扭曲成環(huán)，然后慢慢移動，直到碰到了相向的CTCF環(huán)，此外，這個模型是不能夠去解釋同向的CTCF成環(huán)情況。
當然，這兩個模型未被完全證實，還存在一些缺陷。需要更多的試驗機制去證明和實現(xiàn)。
Last:
??在哺乳動物中，CTCF和cohesin到底是如何形成高級結構，如何去調控的呢？機制未明，有待發(fā)現(xiàn)！
