學(xué)習(xí)摸索了很久祭钉，在中文網(wǎng)沒有找到很理想的帶領(lǐng)小白入門三維基因組學(xué)的專題內(nèi)容泛粹，因此在學(xué)習(xí)的過程中想把這寫內(nèi)容記錄下來(lái)伪货，希望對(duì)后來(lái)的像我這樣的學(xué)生能夠得到一些幫助愚臀。
隨著Hi-C等技術(shù)的發(fā)展，3D基因組學(xué)相關(guān)研究得以迅速進(jìn)展姑裂。DNA loop作為基因組重要的3D結(jié)構(gòu)單位馋袜，是初學(xué)者的必須掌握的內(nèi)容。如果你也對(duì)loop感興趣舶斧，關(guān)注我欣鳖，這將會(huì)是一個(gè)連載！如果你是這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的佼佼者茴厉，關(guān)注我泽台！歡迎批評(píng)指正！
一矾缓、DNA loop的結(jié)構(gòu)
從最基礎(chǔ)的講起怀酷，顧名思義，loop是環(huán)嗜闻，DNA loop就是DNA環(huán)蜕依，但它并不是閉環(huán)，而是由一種叫做cohesin的蛋白復(fù)合物介導(dǎo)的環(huán)泞辐。其結(jié)構(gòu)如下圖：
圖1：DNA loop的結(jié)構(gòu)笔横，摘自Topoisomerase II-Induced Chromosome Breakage and Translocation Is Determined by Chromosome Architecture and Transcriptional Activity.?Mol Cell.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31202577/
DNA Loop由cohesion蛋白介導(dǎo)(圖1綠色)，cohesin能夠穿過DNA咐吼，與結(jié)合在DNA上的CTCF相結(jié)合吹缔，從而固定住loop結(jié)構(gòu)。這個(gè)復(fù)合物最終所在的位置又叫做loop anchor锯茄。
二厢塘、cohesin的結(jié)構(gòu)
? ? 而介導(dǎo)loop的Cohesin復(fù)合物由4個(gè)亞單位組成茶没，分別是兩個(gè)鉸鏈分子SMC1、SMC3晚碾，一個(gè)Rad21分子(又稱Scc1)和一個(gè)STAG分子(又稱SA)組成抓半。結(jié)構(gòu)圖如下：
圖2，cohesion的分子結(jié)構(gòu)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955067418301662?via%3Dihub#bib0240
????兩個(gè)SMC分子的一端通過其分子內(nèi)部的球狀結(jié)構(gòu)域形成hinge樞紐格嘁，另一端頭部和Rad21結(jié)合笛求，其上再結(jié)合一個(gè)STAG蛋白，目前有研究表明STAG蛋白能夠與CTCF結(jié)合以錨定loop糕簿。
??? STAG蛋白有多種亞型探入，包括STAG1、STAG2和STAG3懂诗，其中STAG3在減數(shù)分裂中起重要作用蜂嗽。而STAG1被報(bào)道在TAD結(jié)構(gòu)域邊界與CTCF共同發(fā)揮作用，而STAG2在細(xì)胞特異性的loop結(jié)構(gòu)中起重要作用殃恒。
三植旧、cohesion如何引導(dǎo)loop形成
??? Tomoko Nishiyama[1]文中指出，cohesion首先需要load到DNA上离唐，對(duì)于這一load過程病附，文章給出了2種假設(shè)。如下圖所示：
圖3：cohesin的載入方式
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955067418301662?via%3Dihub#bib0240
第一種假設(shè)：
cohesion復(fù)合物結(jié)合到DNA以后侯繁，打開hinge樞紐以環(huán)住DNA胖喳，完成load。
第二種假設(shè)：
先打開SMC1-Rad21的結(jié)合贮竟，隨后在ATP水解作用下打開SMC1和SMC3的結(jié)合，再環(huán)住DNA较剃。
不過咕别，cohesin是否作為一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)DNA loop的擠出還存在爭(zhēng)議。2019的一篇science第一次在體外驗(yàn)證了cohesin對(duì)loop的擠出作用写穴，在NIPBL-MAU2存在的情況下惰拱，單個(gè)cohesin復(fù)合物能夠以一種依賴ATP酶活的方式，形成DNA loop[3]啊送。但是在細(xì)胞內(nèi)部偿短，染色體如何形成loop仍然未知。
四馋没、CTCF與loop結(jié)構(gòu)的關(guān)系
??? CTCF是一類廣泛表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子昔逗，對(duì)于TAD和loop結(jié)構(gòu)的定位錨定具有重要作用。主要是通過與cohesin上面的STAG蛋白結(jié)合對(duì)loop進(jìn)行定位篷朵。
????而CTCF motif的方向?qū)τ趌oop的形成至關(guān)重要勾怒。HiC實(shí)驗(yàn)證明婆排，大多數(shù)loop或TAD邊界的CTCF motif對(duì)，以一種互相收斂的方向出現(xiàn)笔链，以幫助CTCF二聚體形成段只，并將兩個(gè)染色質(zhì)位點(diǎn)聚集；顛倒CTCF motif的方向則會(huì)使得loop消失[5]（圖4）鉴扫。雖然一對(duì)向外發(fā)散的CTCF motif也能形成loop赞枕，但是內(nèi)斂方向的motif形成的loop更加穩(wěn)定，并且更多的參與TAD的建立坪创。而向外發(fā)散方向的motif則更加動(dòng)態(tài)炕婶，并傾向于調(diào)控TAD內(nèi)的轉(zhuǎn)錄。
圖4：CTCF之于loop結(jié)構(gòu)具有方向性
Li M, Gan J, Sun Y, et al. Architectural proteins for the formation and maintenance of the 3D genome. Sci China Life Sci. 2020;63(6):795-810. doi:10.1007/s11427-019-1613-3
????此外误堡，CTCF的結(jié)合和功能被證實(shí)是依賴于RNA的古话。敲除CTCF內(nèi)部的RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，會(huì)導(dǎo)致幾乎一半的loop消失[4]锁施。
? ? 總的來(lái)說(shuō)陪踩，cohesin首先導(dǎo)入DNA，隨后loop被擠出悉抵，隨之?dāng)U大肩狂，直到cohesin遇到了結(jié)合在DNA上的CTCF，通過內(nèi)部的STAG亞單位與CTCF結(jié)合在一起姥饰，從而將loop結(jié)構(gòu)錨定傻谁。
????下篇講一講loop與genome穩(wěn)定性的關(guān)系。
? ? 轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)文章基因組學(xué)研究生-Loop是什么列粪。
本文傾情冠名贊助：衛(wèi)卜源审磁；
聲明：本文內(nèi)圖片均引用自文獻(xiàn)，僅供學(xué)習(xí)交流岂座。
[1]Nishiyama T. Cohesion and cohesin-dependent chromatin organization.?Curr Opin Cell Biol. 2019;58:8-14. doi:10.1016/j.ceb.2018.11.006
[2]Li M, Gan J, Sun Y, et al. Architectural proteins for the formation and maintenance of the 3D genome.?Sci China Life Sci. 2020;63(6):795-810. doi:10.1007/s11427-019-1613-3
[3]Davidson IF, Bauer B, Goetz D, Tang W, Wutz G, Peters JM. DNA loop extrusion by human cohesin. Science. 2019;366(6471):1338-1345. doi:10.1126/science.aaz3418
[4]Salda?a-Meyer, R., Rodriguez-Hernaez, J., Escobar, T., Nishana, M.,Jácome-López, K., Nora, E.P., Bruneau, B.G., Tsirigos, A., FurlanMagaril, M., Skok, J., et al. (2019). RNA interactions are essential forCTCF-mediated genome organization. Mol Cell 76, 412–422.e5.
[5]Guo Y, Xu Q, Canzio D, et al. CRISPR Inversion of CTCF Sites Alters Genome Topology and Enhancer/Promoter Function. Cell. 2015;162(4):900-910. doi:10.1016/j.cell.2015.07.038
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