Mol Cell | 严健/王曦/于淼/张亮团队联合破解CTCF结合位点表观遗传环境的调控密码

CTCF是一种在进化上高度保守的转录因子，更是基因组三维架构的核心“建筑师”，负责染色质环以及拓扑相关结构域（TAD）的形成与稳定，是基因转录精准调控的核心蛋白之一。其结合位点呈现出高度有序的核小体结构和DNA低甲基化特征。一个长期悬而未决的科学谜题是：CTCF结合位点与DNA低甲基化特征之间的调控因果关系。经典模型认为CTCF只能结合非/低甲基化DNA，却无法解释这种低甲基化景观是如何建立与维持的。

2026年6月1日，西安交通大学第一附属医院严健教授团队联合南京医科大学王曦教授、复旦大学于淼研究员、香港城市大学张亮教授在Molecular Cell发表题为NuRD-Enabled CTCF-TET Crosstalk Orchestrates Epigenome Reprogramming and Genome Architecture的研究论文。该研究破解了这一表观遗传领域的核心谜题，揭示了NuRD复合物在调控DNA甲基化、CTCF结合以及染色质高级结构这三个重要表观遗传事件中的核心作用，阐明了其通过连接CTCF、TET蛋白，维持基因组三维结构、DNA甲基化稳态与细胞分化能力的全新分子机制，也为理解发育、肿瘤等重大疾病的分子机制提供了关键理论基础。

为了在碱基分辨率下探究CTCF结合与DNA甲基化之间的关系，该研究首先开发了一种称作G-MAT（GpC甲基化辅助追踪）的方法，该方法依赖GpC甲基转移酶标记CTCF结合足迹，通过亚硫酸盐定序（Bisulfite-seq），可以在碱基分辨率水平在同一段DNA片段上同时绘制CTCF结合足迹与内源性DNA甲基化图谱。依托G-MAT追踪技术，研究团队观测到CTCF结合足迹中存在大量甲基化位点，半定量分析结果显示CTCF结合足迹与DNA甲基化显著正相关，二者并非彼此独立的分子事件（图1）。

图1 G-MAT技术揭示CTCF结合足迹与DNA甲基化显著正相关

为挖掘介导调控CTCF结合位点周围DNA甲基化环境的关键调控因子，研究团队运用eBioID邻近标记质谱技术，系统性筛查能与CTCF发生近距离互作的蛋白分子。邻近标记技术相较于传统的免疫共沉淀，具有极高的灵敏度和信噪比。严健教授团队与张亮教授团队，曾在2020年就基于邻近标记技术开发了名为CARPID的方法，用于高效鉴定RNA结合蛋白（参考：Yi et al., Nature Methods, 2020）。eBioID结果显示核小体重塑与去乙酰化复合物（NuRD）多个亚基均显著富集，然而与负责DNA甲基化的DNMT及去甲基化的TET蛋白却未被检测到。该结果提示，CTCF可能并不直接招募甲基转移酶或者去甲基酶，而是有桥接因子参与其中。为此，研究团队对TET蛋白进行eBioID实验，质谱结果显示三种TET蛋白的互作蛋白存在大量重叠，提示了它们功能的冗余。研究人员将TET与CTCF互作蛋白进行重叠，发现了17个潜在的桥接因子，其中包含NuRD复合物的两个亚基MBD3和MTA2。随后的一系列免疫共沉淀和Western结果交互证明了NuRD复合物在介导CTCF与TET1互作中的桥接作用（图2）。

图2 NuRD复合物是介导CTCF与TET1互作的关键桥接因子

接下来，研究者分别用小分子药物BPK-25和IAA处理细胞，分别高特异地降解细胞内的NuRD复合体和CTCF蛋白。通过RNA-Seq、ChIP-Seq以及亚细胞组份分离等一系列实验，证明了NuRD复合物与CTCF结合染色质是互相依赖的。考虑到CTCF在基因组三维结构中的作用，研究人员在NuRD耗竭细胞中进行了Hi-C、micro-C和3D-DNA FISH实验，证实了NuRD复合物是一种全新的染色质高级结构的重要调控因子（图3）。

图3 NuRD复合物对染色质高级结构至关重要

同时，研究结果也显示，NuRD和CTCF是细胞中TET去甲基酶结合染色质所必须的。研究人员在基因组特定位点，通过CRISPR强制引入CTCF的结合，建立了CTCF-NuRD-TET基因表达调控轴，即NuRD复合物通过促进CTCF蛋白与基因组的结合并介导TET去甲基化酶的招募，维持相邻DNA的低甲基化状态，激活邻近基因的表达（图4）。

图4 CTCF-NuRD-TET表观调控轴对干细胞分化至关重要

综上所述，该研究开发并借助G-MAT技术以碱基分辨率破解CTCF结合与DNA甲基化的核心谜题，首次发现NuRD复合物是CTCF稳定结合的分子桥，并建立CTCF-NuRD-TET表观-三维调控轴，阐明CTCF如何结合甲基化DNA、维持局部低甲基化、构建三维基因组、驱动基因表达。这一发现不仅解答了“CTCF结合位点低甲基化如何建立”的核心谜题，将DNA甲基化、三维基因组结构研究，通过NuRD复合物串联起来，为理解基因转录调控密码提供了全新的关键信息。这些研究结果和发现也为理解NuRD功能缺陷相关疾病提供了理论基础，未来有望为相关疾病的治疗提供新的靶点与策略。

作者信息：西北大学特聘副教授孙文举博士、西安交通大学第一附属医院副研究员吴楠博士、复旦大学博士研究生夏敏会为本文共同第一作者，严健教授、王曦教授、于淼研究员和张亮教授为共同通讯作者。同时，本研究也受到清华大学王海峰教授团队、颉伟教授团队、同济大学尹贻蒙教授、香港城市大学张继林教授团队、西安交通大学第一附属医院李磊教授团队以及西北大学陈富林教授团队的大力协助与支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.05.010

制版人： 十一

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