CTCF对造血干细胞红系分化及珠蛋白表达的调控机制

CTCF是一种重要的多功能转录因子，为进化上高度保守的多锌指、DNA结合核蛋白。其通过锌指结构的不同组合可选择性识别多种DNA序列，具有启动子抑制和激活、基因沉默、增强子阻断、X染色体失活等多种功能，在细胞生长、分化、表观遗传等方面有重要的调节作用。研究表明CTCF对髓系细胞的生长和分化发挥重要的调控作用。本课题的主要研究目的是发现CTCF对CD34+造血干细胞珠蛋白表达调控的重要影响。目前我们已利用高通量测序技术和生物信息学分析，得到不同发育阶段的红细胞全基因组DNase I高敏感位点图谱，并确定了与红系α-珠蛋白基因表达相关的DNase I高敏感位点及可能存在的CTCF结合位点。我们将进一步利用分子生物学实验发现受CTCF调控的与珠蛋白表达和红系分化相关调控序列及转录因子，并希望通过本课题研究能发现CTCF对造血干细胞向红系分化调控的分子机制。

CTCF蛋白由11个保守的锌指结构组成，不同的锌指结构组合能够与不同的DNA序列相结合。作为一种多功能调节因子，CTCF可参与转录激活与抑制、染色质构象的形成与改变等生物过程，进而调节细胞的生长、分化及个体发育等生命活动。.CTCF是真核生物中唯一已知的绝缘子蛋白。其在基因组中的某些结合序列为绝缘子元件，具有增强子阻断和异染色质屏障的功能，且这种绝缘子功能的发挥具有CTCF结合的依赖性。CTCF能够促进染色质构象的改变，使得基因的远端调控元件与启动子发生相互作用，进而促进转录调控因子的结合与功能的发挥。同时CTCF也会抑制染色质环内外的遗传信息相互扩散，发挥染色质屏障的作用。鉴于CTCF的该种功能，我们与美国华盛顿大学医学中心医学遗传系George Stamatoyannopoulos 教授的实验室合作，初步鉴定了23个具有增强子阻断活性的候选绝缘子元件。.CTCF的功能具有时空特异性，在不同的细胞、组织及个体发育的不同阶段中参与调控不同的生物过程。CTCF knockdown的K562细胞经50 μM Hemin诱导后，与对照细胞相比珠蛋白ε 与 γ 的表达显著降低，表明CTCF在红细胞分化中具有重要的调控作用。为了探讨CTCF在红细胞分化过程的调控机制，我们利用Microarray技术对CTCF +/- K562与HeLa细胞做了差异表达基因分析。发现在K562细胞中，受CTCF影响的基因与血红素的生物合成过程显著相关。进而我们分析了CTCF knockdown后与红细胞生成相关的基因的表达变化，结果显示血红素合成的关键酶ALAS2的表达下降了3.3倍。通过基因调控网络分析以及ChIP-qPCR的实验验证，证明了在K562细胞中CTCF能够通过促进红系特异转录因子GATA-1在ALAS2特异的增强子区域的结合调控ALAS2的表达。.本项目研究结果表明CTCF在红系分化过程中既能够直接调控珠蛋白基因(α, β) 的表达，又能够调控红系特异转录因子的结合进而间接地调控红细胞特异的关键基因。该研究结果进一步丰富了CTCF调控红细胞分化的理论体系，促进了高通量测序技术在基因表达调控研究中的广泛应用。同时为研究者探索和发现新的绝缘子元件提供了研究思路与一定的数据支持。