人源多功能转录因子CTCF多点识别DNA的动态特性

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

多功能转录因子CTCF含有11个串联锌指，在基因表达过程中起着关键性的作用。它在基因组中有多种结合位点；通过与这些不同的结合位点结合，CTCF可以使线性的染色质成环，形成拓扑结构，并在此基础上进一步架构为染色质的三维空间构象。虽然CTCF的11个串联锌指的可塑性是其识别基因组中多个位点的必要因素，但这11个锌指的动力学性质却未得到深入研究。

近日，中国科学技术大学生命科学学院施蕴渝院士/吴季辉教授团队的阮科副教授和张志勇教授利用液态核磁共振结合小角度X射线散射等技术，在对人源多功能转录因子CTCF的结构与功能研究中取得重要进展。作者将CTCF的11个串连锌指区域作为一个整体，利用液态核磁共振的方法得到了CTCF ZFs 1-11的化学位移指认，并解析了每一个锌指的核磁结构，这可能是核磁共振目前解析的具有最多数目结构域的蛋白质。进一步的核磁主链动力学、残余偶极耦合和小角度X射线散射实验证实了在未结合核酸的状态下，CTCF ZFs 1-11具有相当的柔性。来自于原钙粘蛋白基因簇的两段不同DNA片段和CTCF ZFs 1-11的核磁结合实验表明，CTCF采用不同区段锌指、以不同的结合强度进行应答；结合CTCF ZFs 1-11的化学位移指认，从而可系统性地研究染色质上不同DNA结合位点与CTCF的互作模式。该研究对于阐释CTCF与多种DNA结合的分子机理以及其结合过程中CTCF蛋白的构象变化具有重要意义。

这一成果近期发表在Journal of Physical Chemistry Letters 上，文章的第一作者是中国科学技术大学的博士研究生徐涤非。该工作还得到国家蛋白质科学中心（上海）、中国科学院强磁场中心以及上海交通大学吴强教授课题组仪器和技术的支持。中国科学技术大学施蕴渝院士领导的生物大分子核磁共振波谱实验室是国内最早从事生物核磁研究的团队之一，论文的通讯作者阮科副教授和张志勇教授均来自该团队。

该论文作者为：Difei Xu, Rongsheng Ma, Jiahai Zhang, Zhijun Liu, BoWu, Junhui Peng, Yanan Zhai, Qingguo Gong, Yunyu Shi, Jihui Wu, Qiang Wu, Zhiyong Zhang and Ke Ruan

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Dynamic Nature of CTCF Tandem 11 Zinc Fingers in Multivalent Recognition of DNA As Revealed by NMR Spectroscopy

J. Phys. Chem. Lett., 2018, DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b01440

阮科博士简介

阮科，1999和2002年分别获北京大学化学与分子工程学院本科和硕士学位，2008年获美国约翰霍普金斯大学化学博士学位；2008-2010年入职辉瑞（美国）研发部门，2010年任英国Beatson癌症研究所资深研究员，2011年1月受聘于中国科学技术大学生命科学学院任职副教授。

阮科的主要研究兴趣为基于片段的活性小分子的筛选与结构优化、抗肿瘤增殖/迁移机制以及现代核磁技术在药物先导化合物发现中的应用，在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Chem. Rev. 等期刊发表论文30余篇。

http://www.x-mol.com/university/faculty/49951

张志勇博士简介

张志勇博士，教授，1994年9月至1998年7月就读于中国科学技术大学生物系，分子与细胞生物学学士学位；1998年9月至2003年7月在中国科学技术大学生命科学学院免试硕博连读，获得生化与分子生物学博士学位，获“求是”及“中国科学院院长”奖；2003年12月至2006年12月在美国得克萨斯休斯顿健康科学中心从事博士后研究，期间获得Keck Center Pharmacoinformatics Fellowship的资助；2006年12月至2010年3月在犹他大学化学系从事博士后研究；2010年4月至2010年12月在芝加哥大学化学系从事博士后研究；2010年4月通过中国科技大学优秀人才引进受聘为生命科学学院教授。

张志勇的专业是计算生物学，主要研究方向为发展生物大分子多尺度模拟的新方法，如构象空间增强采样技术和粗粒化模拟，多尺度模拟整合核磁共振、冷冻电镜以及X射线小角散射等结构数据，研究生物大分子（蛋白、核酸及复合物）的结构及动态变化；研究成果发表在Journal of the American Chemical Society、Journal of Chemical Theory and Computation 和Biophysical Journal 等国际学术期刊上，目前已发表研究论文47篇（SCI收录论文42篇），其中通讯或第一作者论文25篇（SCI收录论文23篇）。

http://www.x-mol.com/university/faculty/49952

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：CTCF蛋白是广泛存在于真核生物体内的一种多能蛋白质，进化上相对保守，功能上非常重要。之前的研究发现，CTCF蛋白在基因印记、基因互作、选择性剪切等多个生物学过程中都发挥着关键性的调节作用。近年来多篇文章指出，该蛋白多种多样的转录调控功能与CTCF及DNA的识别方式紧密相关。所以我们对CTCF蛋白展开了结构和动力学特性的研究，希望借此揭示CTCF多样性识别DNA的分子机制。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战是CTCF蛋白的柔性及其十一个串联锌指之间的序列相似性。CTCF的柔性导致蛋白质单体难以结晶。经过一系列的预实验和分析，我们选择以液态核磁共振为主来开展研究。虽然液态核磁是研究这类蛋白质-核酸动态识别的利器，但首先需要得到较高质量的CTCF蛋白单体十一个串联连续锌指区域的核磁共振谱图及信号归属。而十一个锌指之间的序列和结构相似性，导致谱峰的简并性和相似性，极大增加了谱峰归属的难度。据我们所知，这是目前核磁共振研究具有最多结构域的蛋白质，工作非常具有挑战性。所以，我们在一方面设计和应用了很多核磁共振实验和方法，从而保证核磁共振数据的完整性和可靠性；另一方面，结合其它技术手段如小角散射实验等，从多个角度交叉验证我们的实验结论。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：我们的研究揭示了CTCF与不同DNA的动态结合模式，为CTCF蛋白的多样化功能提供了结构生物学方面的理论支持，同时也提供了一种研究此类问题的思路和方法，为后续CTCF和DNA互作的系统性研究提供了新范式。由于CTCF和很多疾病密切关联，我们的研究工作也为相关医学健康领域提供了新的切入点。