Genome Biol | CTCF通过维持人红细胞的特定染色质可及性实现谱系特异性基因转录调控

CCCTC结合因子 （CTCF） 是哺乳动物细胞三维基因组结构维持的核心调控因子【1】。染色质的高级结构由多个层次的结构单元组成，包括A/B区室 （A/B compartment） 、拓扑关联结构域 （TAD， Topological Associated Domain） 以及染色质环 （Chromatin Loops） 。CTCF蛋白常定位于TAD和loops的边界影响染色质的远程交互，扮演抑制子、增强子和绝缘子等多重角色调控基因表达【2】。 研究表明，绝大部分的TAD边界和CTCF结合位点在不同细胞类型和物种间高度相似，但CTCF蛋白如何实现谱系特异性调控及与谱系特异性疾病的发生关系仍然不明确。

CTCF蛋白在造血干细胞的长期增殖和分化过程中发挥着至关重要的作用，研究发现，CTCF通过介导染色质相互作用，调控多个干性基因的精准转录表达【3】。例如在造血过程中，转录因子Runx1启动子附近的CTCF结合位点对于染色质结构的建立具有关键性作用【4】。此外，CTCF在多种造血谱系细胞的命运决定中也发挥关键作用，包括淋巴系的T细胞、B细胞和髓系细胞【5】。而红细胞分化作为造血谱系分化的重要分支之一，是研究细胞谱系命运决定和基因表达调控的经典模型。已有研究发现，在造血干细胞向红细胞分化成熟的过程中，三维基因组结构会发生显著性重构，同时伴随CTCF结合位点的动态重塑，这一现象表明，三维基因组的选择性调控可能对于红系分化具有决定性作用【6, 7】。然而，由于CTCF是细胞生长的必须基因，直接基因敲除会直接导致细胞死亡，这一特性给解析CTCF蛋白如何直接调控人红细胞的三维基因组构象带来了巨大的挑战，因此也使得CTCF蛋白对红系基因转录选择性调控机制一直没有得到解答。

近日，苏州大学徐鹏教授团队与美国圣裘德儿童研究医院的Chunliang Li(李春亮)教授和Beisi Xu （徐贝思）博士团队在Genome Biology杂志在线发表题为CTCF is selectively required for maintaining chromatin accessibility and gene expression in human erythropoiesis（CTCF通过维持人红细胞特定染色质可及性实现基因转录的选择性调控） 的研究论文，该研究揭示了CTCF蛋白通过维持红系祖细胞三维基因组构象、特定染色质可及性和基因转录的选择性调控规律，研究还鉴定出CTCF在红系基因转录调控中的两种模式，以及CTCF直接作用的红系特异性下游靶基因。

由于CTCF对多种细胞的生存必须作用，在造血干细胞诱导体外红系分化过程中难以实现对CTCF蛋白的长期干扰和可逆性调控，这从技术上限制了解析CTCF缺失对红系祖细胞的三维基因组和基因表达的调控作用。为了解决这一难题，徐鹏教授团队在红细胞系中成功构建了靶向CTCF蛋白的快速可诱导降解系统 （auxin inducible degron， AID） ，实现了分别在两种有核红系祖细胞系HUDEP-2和HEL中快速降解CTCF蛋白（图 1），并验证了在红细胞成熟过程中24小时内降解CTCF会导致红细胞成熟缺陷。

图 1. 靶向CTCF蛋白快速可诱导降解的CTCF-AID HUDEP-2 和HEL人红系祖细胞模型。

研究者进一步通过多组学数据的整合分析 （包括染色质可及性全基因组鉴定技术、转录组时序分析、高通量染色质构象技术和CTCF基因组结合位点捕获技术） ，研究发现，红系祖细胞中CTCF快速降解后，数千个特定的染色质可及性区域显著下降，而仅有数百个染色质可及性区域显著上升（图 2）。通过Motif富集分析和CTCF 结合位点验证，发现这些特定下降的染色质可及性区域富集了CTCF的直接结合位点。进一步整合数据分析证实，基因组中下调的染色质可及性区域和转录下调的基因均与染色质环结构的丢失显著相关。此外，该研究还发现CTCF在红系分化过程对谱系基因的调控作用具有阶段依赖性。针对特异性调节的下游靶基因，研究者利用CRISPR/Cas9技术对CTCF结合位点进行功能破坏，证实CTCF通过维持基因组三维结构和染色质可及性对特定下游靶基因发挥正向调控作用。另一方面，研究还揭示了大量被CTCF负向调控的靶基因，发现这些靶基因的染色质可及位点同时被红系特异性转录因子GATA1和CTCF共同占据，CTCF的缺失导致这些靶基因显著上调。基于以上结果，该研究提出了两种可能存在的CTCF调控红系基因转录模式，CTCF与GATA1协同占据不同类型染色质可及性区域，既可以通过基因组增强子元件增强靶基因的表达，也可以通过基因组抑制子元件降低靶基因的表达。

该研究通过多学科、多团队的协作，揭示了红细胞中CTCF选择性维持特定染色质可及性和基因转录调控机制。值得一提的是，同时期研究文章也证实了CTCF在调节杆状光感受器发育过程中对整体染色质可及性和基因转录具有关键作用8，说明CTCF对维持基因组染色质可及性方面具有广泛的调控作用和组织特异性。未来的研究还需要进一步深入解析CTCF所维持的多种染色质可及性区域的生物学功能以及在相关红细胞疾病中的临床意义。

图 2. 人红系祖细胞内CTCF蛋白快速降解后的数千个特定染色质可及性区域显著下降。

总之，该研究系统地揭示了CTCF蛋白在红细胞基因转录中的选择性调控模式，这为理解造血谱系分化过程中的调控机制提供了新的视角。该研究鉴定出的红细胞中三维基因组学数据，为未来建立大数据模型开展红细胞功能研究奠定了重要基础。此外研究发现的多个红系特异性调控元件和靶点，也为红细胞相关疾病的诊疗提供了重要的参考依据。

图 3. 揭示了CTCF蛋白通过维持红系祖细胞特定染色质可及性实现基因转录的选择性调控。

苏州大学的徐鹏教授、美国圣裘德儿童研究医院的Chunliang Li (李春亮) 教授和Beisi Xu (徐贝思) 博士为本文的共同通讯作者。苏州大学徐鹏课题组助理研究员杨雪，博士研究生辛晔、张建祥和圣裘德儿童研究医院前博士后程丽博士 （现为苏州新芽基因有限公司高级科学家） 为本文的共同第一作者。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s13059-025-03510-z

徐鹏博士2020年回国在苏州大学唐仲英血液学研究中心组建“红细胞生成与血液疾病”实验室，利用基因编辑和高通量筛选技术结合多组学大数据整合研究手段，致力于解析造血调控新机制，鉴定血液系统疾病新靶点。课题组诚邀国内同道交流、合作和指导，欢迎有志有恒的青年才俊加盟，欢迎来苏州创新创业，为苏州血液的高质量发展贡献力量！

制版人：十一

参考文献

1. Zheng H, Xie W. The role of 3D genome organization in development and cell differentiation.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.2019;20(9):535–550.

2. Oudelaar AM, Higgs DR. The relationship between genome structure and function.Nat. Rev. Genet.2021;22(3):154–168.

3. Takayama N, Murison A, Takayanagi S, et al. The Transition from Quiescent to Activated States in Human Hematopoietic Stem Cells Is Governed by Dynamic 3D Genome Reorganization.Cell Stem Cell.2021;28(3):488-501.e10.

4. Owens DDG, Anselmi G, Oudelaar AM, et al. Dynamic Runx1 chromatin boundaries affect gene expression in hematopoietic development.Nat. Commun.2022;13(1):773.

5. Arzate-Mejía RG, Recillas-Targa F, Corces VG. Developing in 3D: the role of CTCF in cell differentiation.Development.2018;145(6):dev137729.

6. Li D, Wu F, Zhou S, Huang XJ, Lee HY. Heterochromatin rewiring and domain disruption-mediated chromatin compaction during erythropoiesis.Nat. Struct. Mol. Biol.2023;30(4):463–474.

7. Qi Q, Cheng L, Tang X, et al. Dynamic CTCF binding directly mediates interactions among cis -regulatory elements essential for hematopoiesis.Blood.2021;137(10):1327–1339.

8. Dahong Chen, Saumya Keremane, Silu Wang EPL. CTCF regulates global chromatin accessibility and transcription during rod photoreceptor development.Proc Natl Acad Sci U S A. 2025;122(9):e2416384122.

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