真核生物的基因組DNA以復雜而有序的層級結構折疊于細胞核中，包括：遠距離染色質(zhì)環(huán)、拓撲相關(guān)結構域（TAD）、染色質(zhì)區室和染色質(zhì)疆域等。這些染色質(zhì)高級結構的動(dòng)態(tài)變化與細胞命運決定以及疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。CCCTC結合因子（簡(jiǎn)稱(chēng)CTCF）最初被報道作為絕緣子結合蛋白發(fā)揮作用。另外，CTCF作為染色質(zhì)架構蛋白在調節染色質(zhì)高級結構中同樣發(fā)揮重要的功能。姚紅杰課題組前期在CTCF的分子生物學(xué)功能研究方面取得了一系列進(jìn)展，包括篩選CTCF的共定位因子、鑒定CTCF可變剪切體并解析其分子細胞功能、CTCF調控染色質(zhì)絕緣和染色質(zhì)開(kāi)放協(xié)同調控體細胞重編程為誘導多能干細胞等。此外，臨床研究發(fā)現CTCF基因突變與多種發(fā)育障礙疾病相關(guān)，如智力發(fā)育遲緩、自閉癥譜系障礙和先天性心臟病等。CTCF精氨酸567突變?yōu)樯彼幔≧567W）的臨床表現為智力障礙、喂養困難，并伴隨自閉癥樣等特征。然而，CTCF?R567W突變導致這些復雜發(fā)育異常的分子機制仍不清楚。

2024年7月1日，姚紅杰研究團隊在Nature communications（《自然通訊》）期刊上發(fā)表了題為CTCF mutation at R567 causes developmental disorders via 3D genome rearrangement and abnormal neurodevelopment的研究論文。該研究綜合運用小鼠模型和人源類(lèi)器官模型，揭示了染色質(zhì)架構蛋白CTCF的R567W點(diǎn)突變通過(guò)調控CTCF在染色質(zhì)上的結合和局部三維基因組結構，進(jìn)而導致神經(jīng)發(fā)育障礙的分子機制。這一發(fā)現為理解CTCF突變導致臨床發(fā)育疾病提供了重要見(jiàn)解。

研究團隊首先在小鼠模型中引入CTCF-R567W點(diǎn)突變，以模擬其對發(fā)育的影響。結果顯示，CTCF-R567W雜合突變小鼠除了幼年時(shí)期的瘦小表型外，與野生型小鼠相比沒(méi)有明顯異常，未能很好地模擬臨床雜合病例的神經(jīng)發(fā)育障礙行為表型；而攜帶純合CTCF-R567W突變的小鼠在出生30分鐘內死亡，并表現出大腦、心肺組織的發(fā)育異常。研究團隊對純合突變小鼠進(jìn)行深入研究，發(fā)現純合突變導致神經(jīng)發(fā)育和突觸通路紊亂，并揭示純合突變導致神經(jīng)祖細胞和放射狀膠質(zhì)細胞等干性細胞過(guò)早耗竭，而抑制性GABA能神經(jīng)元加速發(fā)育。

研究團隊同時(shí)將CTCF-R567W突變引入人胚胎干細胞（hESCs）中，并構建了大腦皮質(zhì)類(lèi)器官模型。研究人員發(fā)現攜帶雜合突變的類(lèi)器官在分化早期表現出神經(jīng)祖細胞減少和GABA能神經(jīng)元增加，具有與小鼠模型類(lèi)似的神經(jīng)發(fā)育失衡現象。這一發(fā)現與近期在多個(gè)自閉癥風(fēng)險基因的皮質(zhì)類(lèi)器官研究中的報道結果相一致，表明CTCF突變可能與自閉癥風(fēng)險因子通過(guò)共享的細胞發(fā)育通路誘發(fā)神經(jīng)發(fā)育障礙。

在分子機制層面上，該研究團隊發(fā)現CTCF-R567W突變減弱了CTCF在染色質(zhì)上部分位點(diǎn)的結合（尤其是在具有上游結合基序特征的位點(diǎn)）。這種結合減弱進(jìn)一步導致了局部染色質(zhì)結構重組（特別是在對神經(jīng)元身份識別和神經(jīng)回路組裝至關(guān)重要的成簇原鈣黏蛋白（cPcdh）基因座）。該基因座由Pcdhα、Pcdhβ和Pcdhγ三個(gè)基因簇構成。CTCF-R567W突變主要導致Pcdhβ基因簇多個(gè)基因啟動(dòng)子上的CTCF結合減弱，并通過(guò)降低遠距離啟動(dòng)子與增強子相互作用進(jìn)而改變了cPcdh基因座的染色質(zhì)高級結構，使該基因座TAD結構發(fā)生分裂，同時(shí)伴隨著(zhù)Pcdhβ基因的全局性表達下調，而這些基因的表達異常與神經(jīng)發(fā)育及功能受損密切相關(guān)。

該研究闡明了CTCF-R567W突變的作用機制，揭示了CTCF-R567W突變與人類(lèi)神經(jīng)發(fā)育障礙之間的聯(lián)系，對理解CTCF突變調節發(fā)育障礙的發(fā)病機制具有重要意義，并為進(jìn)一步探索基于三維染色質(zhì)結構調控的干預方法奠定了基礎。

中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院為該論文第一完成單位。廣州國家實(shí)驗室姚紅杰研究員為該論文通訊作者。中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院博士后章杰博士、廣州實(shí)驗室副研究員胡功成博士、中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院博士生盧玉麗和山西農業(yè)大學(xué)博士生任華偉為該論文共同第一作者。該研究工作得到了來(lái)自廣州國家實(shí)驗室苗智超研究員、張煒研究員、馬寧研究員、劉會(huì )生研究員，暨南大學(xué)曲宜波教授，安徽醫科大學(xué)王華教授和張玲玲教授，中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院潘光錦研究員以及山西農業(yè)大學(xué)王海東教授的大力幫助。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。

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揭示染色質(zhì)結構蛋白CTCF-R567W點(diǎn)突變導致神經(jīng)發(fā)育障礙的分子機制