染色質結構蛋白CTCF-R567W點突變導致神經發育障礙的分子機制

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：遠距離染色質環、拓撲相關結構域（TAD）、染色質區室和染色質疆域等。這些染色質高級結構的動態變化與細胞命運決定以及疾病的發生發展密切相關。CCCTC結合因子（簡稱CTCF）最初被報道作為絕緣子結合蛋白發揮作用。另外，CTCF作為染色質架構蛋白在調節染色質高級結構中同樣發揮重要的功能。姚紅杰課題組前期在CTCF的分子生物學功能研究方面取得了一系列進展，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調控染色質絕緣和染色質開放協同調控體細胞重編程為誘導多能干細胞等。此外，臨床研究發現CTCF基因突變與多種發育障礙疾病相關，如智力發育遲緩、自閉癥譜系障礙和先天性心臟病等。CTCF精氨酸567突變為色氨酸（R567W）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器官模型，揭示了染色質架構蛋白CTCF的R567W點突變通過調控CTCF在染色質上的結合和局部三維基因組結構，進而導致神經發育障礙的分子機制。這一發現為理解CTCF突變導致臨床發育疾病提供了重要見解。

研究團隊首先在小鼠模型中引入CTCF-R567W點突變，以模擬其對發育的影響。結果顯示，CTCF-R567W雜合突變小鼠除了幼年時期的瘦小表型外，與野生型小鼠相比沒有明顯異常，未能很好地模擬臨床雜合病例的神經發育障礙行為表型；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、心肺組織的發育異常。研究團隊對純合突變小鼠進行深入研究，發現純合突變導致神經發育和突觸通路紊亂，并揭示純合突變導致神經祖細胞和放射狀膠質細胞等干性細胞過早耗竭，而抑制性GABA能神經元加速發育。

研究團隊同時將CTCF-R567W突變引入人胚胎干細胞（hESCs）中，并構建了大腦皮質類器官模型。研究人員發現攜帶雜合突變的類器官在分化早期表現出神經祖細胞減少和GABA能神經元增加，具有與小鼠模型類似的神經發育失衡現象。這一發現與近期在多個自閉癥風險基因的皮質類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險因子通過共享的細胞發育通路誘發神經發育障礙。

在分子機制層面上，該研究團隊發現CTCF-R567W突變減弱了CTCF在染色質上部分位點的結合（尤其是在具有上游結合基序特征的位點）。這種結合減弱進一步導致了局部染色質結構重組（特別是在對神經元身份識別和神經回路組裝至關重要的成簇原鈣黏蛋白（cPcdh）基因座）。該基因座由Pcdhα、Pcdhβ和Pcdhγ三個基因簇構成。CTCF-R567W突變主要導致Pcdhβ基因簇多個基因啟動子上的CTCF結合減弱，并通過降低遠距離啟動子與增強子相互作用進而改變了cPcdh基因座的染色質高級結構，使該基因座TAD結構發生分裂，同時伴隨著Pcdhβ基因的全局性表達下調，而這些基因的表達異常與神經發育及功能受損密切相關。

該研究闡明了CTCF-R567W突變的作用機制，揭示了CTCF-R567W突變與人類神經發育障礙之間的聯系，對理解CTCF突變調節發育障礙的發病機制具有重要意義，并為進一步探索基于三維染色質結構調控的干預方法奠定了基礎。

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