CRISPR/Cas9遗传学DNA片段编辑技术研究CTCF结合位点的数量对基因组高级结构和转录调控的影响

The mammalian CTCF (CCCTC-binding factor) is a genome architectural protein. It plays an important role in orchestrating long-distance chromatin looping. 3D genomes are organized into topologically associating domains (TADs), which are defined by a high frequency of DNA-looping interactions within domains. The higher-order genome architecture is central for transcriptional regulation, DNA replication and repair. In addition, dysreguation of 3D genome is frequently observed in cancer and other diseases. Over 100,000 CBSs have been identified in mammalian genome. Recent studies revealed that the location and relative orientation of CTCF-binding sites (CBSs) determines the orientation of DNA looping and 3D genome architecture. Furthermore, CBSs are enriched at the boundaries of TADs. However, it is not clear how the number of CBSs affects genome looping. In this project, I propose to use DNA-fragment editing method developed with CRISPR/Cas9 to invert DNA fragments with different number of CBSs and study the effect of the number of tandem CBSs on genome architecture and transcriptional regulation.

哺乳动物CTCF蛋白（CCCTC-binding factor）是一种重要的基因组架构蛋白，在基因组DNA环化的形成过程中起到重要作用。基因组DNA通过一系列环化形成拓扑结构域，在这些拓扑结构域的基础上进一步折叠成有规律的高级基因组结构。细胞的基因组高级结构与转录调控、DNA复制和修复密切相关。三维基因组也与肿瘤等疾病的发生发展有着密切的关系。CTCF结合基因组DNA具有方向性并且在基因组上有成千上万CTCF结合位点。先前的研究发现CTCF结合位点主要富集在拓扑结构域边界处，但是这些CTCF结合位点数量如何影响基因组DNA相互作用强度还不清楚。本项目通过CRISPR/Cas9遗传学DNA片段编辑技术反转具有不同个数CTCF结合位点的DNA片段研究CTCF结合位点数量对基因组高级结构和转录调控影响。

人类大约两米长的30亿DNA碱基对通过不断环化形成三维高级基因组，聚集在约5~10um的细胞核内。CTCF蛋白是一种重要的基因组架构蛋白，在基因组DNA环化的形成过程中起到重要作用，介导基因组高级结构的形成。细胞的基因组高级结构与转录调控、DNA复制和修复密切相关。三维基因组也与肿瘤等疾病的发生发展有着密切的关系。进一步深入研究CTCF介导的DNA环化机制对于理解基因组高级结构具有重要意义。CTCF结合基因组DNA具有方向性并且在基因组上有成千上万CTCF结合位点。之前的研究发现CTCF结合位点主要富集在拓扑结构域边界处，但是这些CTCF结合位点数量如何影响基因组DNA相互作用强度还不清楚。我们通过新一代CRISPR遗传学DNA片段编辑技术研究串联分布的CTCF结合位点，揭示单个CTCF结合位点反转可以介导新的DNA相互作用，背靠背的一对CTCF结合位点可以阻隔DNA相互作用的产生，以及CTCF结合位点的数量与CTCF介导的DNA相互作用强度有关，为神秘的基因组高级结构的理解奠定基础。对HOXD基因簇区域一连串CTCF结合位点进行一系列DNA片段编辑遗传操作，阐明CTCF在HOXD基因簇三维空间结构方面的作用及其对HOXD基因表达调控的影响。