复杂蛋白质群调控与功能研究

主要完成人 吴 强 黄海燕 甲芝莲

完成单位 上海交通大学

人类大约2 m长的线性基因组如何有机折叠在直径约5μm的细胞核内形成复杂的三维结构是生命科学国际前沿的重大科学问题。本团队长期从事复杂蛋白质群调控与功能的分子遗传学研究，共发表40余篇高水平论文，SCI他引超过2 800次。本项目在国家重大科学研究计划（973）项目的支持下，开发了DNA大片段在体遗传操作新技术新方法，研究了基因簇编码复杂蛋白质群的转录调控机制，发现了一个重要的三维基因组染色质高级结构形成的自然规律：人类基因组的一维序列包含有决定三维基因组结构的遗传信息，通过CTCF的方向性结合能够形成长距离染色质环，进而形成三维染色质高级结构，最终调控基因表达。主要科研发现如下。

1.发现了CTCF结合DNA具有方向性。证明了CTCF结合成千上万的基因组位点对于三维基因组的染色质折叠至关重要。CTCF结合位点的位置和方向决定了长距离染色质环化的特异性，并且大多数CTCF介导的染色质相互作用都建立在正向与反向的CTCF位点之间，揭示了基因组三维立体结构是如何由一维DNA序列所“编码”，因而阐明了DNA遗传信息在三维基因组结构建立与形成中的重要作用。三维基因组奠基人HHMI研究员Dekker和MIT教授Mirny在一篇Cell文章中就4处强调了这一重大发现。

2.发现了增强子具有方向性。通过自主开发的DNA片段遗传编辑技术，对增强子进行了原位反转，证明其方向性能够决定染色质拓扑结构域的架构和增强子与启动子之间特异性的远距离相互作用，从而在细胞核内物理空间上靠近启动子并激活其特异性转录。内源染色质DNA片段反转实验清楚地证明了增强子的方向性，修正了教科书中关于增强子没有方向性的概念，在学术界引起了广泛的反响。Nature Reviews杂志把这一发现作为研究亮点进行了专门特别评述《增强子的方向性对于基因调控至关重要》。

3.发现了染色质环化在“细胞克隆特异性”启动子选择中的调控机制。阐明了原钙粘蛋白是在大脑皮质和苍白球神经元神经元迁移、连接、树突和轴突发育的新功能。每个原钙粘蛋白的启动子选择是通过与下游远端的增强子形成的特异性染色质环实现的，从而决定了大脑神经元的单细胞“身份密码”和“自我排斥”。美国科学院院士、HHMI前主席、基因转录领域开拓者、伯克利加州大学Tjian教授在Cell论文中高度肯定了这一发现。

本项目第一完成人曾任973首席科学家，上海市优秀学科带头人，享受国务院政府特殊津贴。研究成果已发表一系列包括Cell、PNAS等国际著名学术杂志研究论文，得到了包括哈佛大学、麻省理工学院、牛津大学、剑桥大学、伯克利大学、加州大学旧金山分校、加州大学洛杉矶分校等著名高校国际同行的高度认可。8篇代表性论文被他引386次，包括17篇国际顶级期刊（14篇发表于Cell，3篇发表于Nature），47篇发表于Cell和Nature子刊以及8篇发表于PNAS。