在真核细胞中，大约两米长的基因组DNA被巧妙地分层包装，形成了从染色体区室到拓扑相关结构域再到染色质环的多层次高阶染色质结构，以适应微小的细胞核。CTCF（CCCTC结合因子）与粘连蛋白通过“环挤出”的方式在细胞间期形成多层次的高维染色质结构，在基因表达调控、染色质三维结构塑造、基因组稳定性的维持以及多种疾病发生发展中起到不可或缺的作用。

早在十几年前课题组通过CRISPR DNA片段编辑系统及染色质构象捕获技术发现三维基因组折叠的CTCF密码，进一步研究发现粘连蛋白复合物能够沿着CTCF相反方向滑动进行染色质环挤出，串联排布的CTCF位点不仅能够阻挡近端基因表达而且能够促进远端基因表达，在三维基因组折叠过程中起到染色质拓扑绝缘子的作用，首次提出染色质空间平衡假说，得到国外科学论文的证实。然而，CTCF在调控粘连蛋白环挤出中的具体机制仍不清楚。

2025年2月21日，上海交通大学系统生物医学研究院吴强教授团队张颐骏同学在生物化学和分子生物学领域历史悠久的顶级期刊Journal of Biological Chemistry上发表了一篇题为“CCCTC-binding Factor N-terminal Domain Regulates Clustered Protocadherin Gene Expression by Enhancing Cohesin Processivity”的研究论文，并被选定为“编辑精选”之一。该研究以原钙粘蛋白基因簇为研究模型，揭示了CTCF通过基因组线性距离偏倚的方式增强粘连蛋白复合体在染色质上的富集程度以保证原钙粘蛋白启动子随机性激活的新机制，进一步验证了染色质拓扑绝缘子的空间平衡假说。

原钙粘蛋白基因簇包含三个紧密相连的基因簇，由数十种不同的原钙粘蛋白基因亚型构成，其表达具有随机性和单等位基因表达的特点，编码的原钙粘蛋白作为神经细胞表面的“身份标识”，对于神经回路的形成至关重要。原钙粘蛋白基因的异常表达与多种神经精神疾病密切相关，包括自闭症谱系障碍、唐氏综合征和阿尔茨海默病等。

张颐骏同学以原钙粘蛋白为模式基因，通过CRISPR DNA片段编辑技术在细胞和小鼠模型中将CTCF进行定点突变，并结合RNA-seq、ChIP-seq、QHR-4C和Hi-C等技术，深入探究了CTCF氨基端结构域对粘连蛋白复合体在染色质上滑动的调控作用。研究发现相较于原钙粘蛋白阿尔法和伽马基因簇，原钙粘蛋白贝塔基因簇在CTCF定点突变后受到的影响更为显著。这与原钙粘蛋白贝塔基因簇距离下游超级增强子较远有关。染色质构象捕获实验Hi-C和QHR-4C的结果显示，CTCF定点突变会显著减弱染色质的远程相互作用和粘连蛋白复合体在染色质上的富集程度，且呈现出基因组距离偏倚的下降趋势。这一发现表明，CTCF通过增强粘连蛋白环挤出滑动的持续性（processivity）来促进远距离基因启动子-增强子之间的相互作用（如下图所示）。

随后张颐骏同学通过在CTCF定点突变遗传背景下敲低内源WAPL的表达，并结合QHR-4C技术，发现WAPL敲低显著增强了下游超级增强子与其远端目标启动子之间的长距离染色质相互作用，并且发现原钙粘蛋白基因簇内的染色质接触概率和表达水平均呈现出基因组距离偏倚的增加趋势，进一步实验发现过表达野生型CTCF与WAPL敲低的效果类似。这一发现表明，CTCF通过与WAPL竞争来阻止粘连蛋白从染色质上解离。

该研究不仅增进了我们对CTCF在基因表达调控中作用机制的理解，还为神经发育相关疾病的研究提供了新的线索。CTCF相关的神经发育障碍通常由众多的杂合子CTCF突变引起，这些突变常表现为综合征性智力障碍和神经发育迟缓，CTCF对原钙粘蛋白基因表达的调控可能在这些疾病的发病机制中扮演着关键角色。该研究得到了国家自然科学基金的资助。上海交通大学系统生物医学研究院博士研究生张颐骏作为第一作者完成了所有的巧妙实验。论文入选JBC“编辑精选”，意味着JBC的审稿人和副主编以及编辑精选委员会认为论文为该领域做出了杰出贡献。该论文将在网上和文章PDF上被标记为“编辑精选”，并将在期刊的外发通讯中获得额外报道，JBC还将特别介绍论文的第一作者。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/journal/journal-of-biological-chemistry/articles-in-press