Cell 综述精读 | 细胞中的染色体折叠

生信菜鸟团

发布于 2024-12-05 14:15:34

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Basic Information

英文标题： The chromosome folding problem and how cells solve it
中文标题：染色体折叠问题以及细胞如何解决它
发表日期：14 November 2024
文章类型：Review
所属期刊：Cell
文章作者：Job Dekker | Leonid A. Mirny
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009286742401208X

Summary

Para_01

每个细胞都必须解决如何折叠其基因组的问题。
我们描述了染色体折叠状态是如何由多种保守机制的共同作用产生的。
同型亲和力驱动的相互作用导致活性和非活性位点的空间分隔。
分子马达通过环挤出折叠染色体。
拓扑特征如超螺旋和缠结对染色体折叠及其动力学有所贡献，将位点固定到核亚结构上增加了额外的限制。
在整个细胞周期和生命树中观察到的显著不同的染色体构象可以通过这些基本机制的差异调节和实施来解释。
我们认为染色体折叠的最初功能是介导基因组复制、压缩和分离，而折叠机制随后被用于其他角色，包括在不同条件下、细胞类型和物种中的长距离基因调控。

Main text

Para_01

1970年，Ris 和 Kubai 写道：‘染色体结构分析旨在描述染色体各种分子成分的空间关系，并将这些构型的变化与染色体功能如复制、转录和遗传重组联系起来。’
大约同一时期，Thomas 写道：‘我们不知道染色体是如何组织的，但有一些诱人的线索，我们可能正处于即将发现的边缘。’

Para_02

Ris 和 Kubai 描述了染色体生物学领域的挑战，这一点至今仍然成立。
Thomas 说得对，我们将会发现这一点，尽管这花费了几十年的时间来开发新方法，从分子生物学、细胞生物学到进化生物学等不同学科的贡献，以及完整基因组的测序。
物理学方面的平行发展继续改变我们对染色体本质的看法，进一步推动了聚合物物理学的发展。
今天，我们至少了解了一些驱动染色体折叠的结构、分子和机制。
然而，这些过程和由此产生的染色体结构如何与染色体功能相关联仍然是一个激烈研究和争论的话题。
尽管如此，人们依然抱有同样的乐观态度，认为我们可能正处于发现折叠与基因组工作之间联系的边缘。

The view of chromosomes 50 years ago

Para_01

《细胞》杂志早期关于染色质结构、染色体折叠和核组织的文章中，包括了对真核生物染色质纤维精细结构的研究，将其描述为‘串珠状’，组蛋白四聚体的形成，折叠的原核生物核区，以及对具有明显液晶态染色体的独特真核生物——甲藻核内DNA折叠的推测，这些研究最近又引起了新的兴趣。

Para_02

在20世纪60年代，人们已经知道染色体各自由一条长的DNA链组成，而关于这条DNA如何在空间上排列以发挥其遗传载体的作用的问题才刚刚开始被提出，而且很少有答案。
乍一看，不同界生物（例如，真核生物与原核生物）的染色体结构之间、同一物种不同组织内的染色体之间（例如，唾液腺中的果蝇多线染色体与其他组织中更为常规的真核染色质），或同一细胞类型在细胞周期不同阶段观察到的染色体之间（经典的X形紧缩有丝分裂染色体在光学显微镜下清晰可见，而间期染色体则几乎从视野中消失）似乎很少有共同点。
染色体可以是线性的、环状的，在噬菌体中通常被包裹在蛋白质壳中，在细菌中轻度包装在核区，围绕着核小体在（大多数）真核生物中缠绕，可能超螺旋也可能不超螺旋，有时还会形成环路。

Para_03

与其他许多领域一样，染色体折叠的研究等待新技术和检测方法的发展，这些技术最终能够在单个细胞内以接近碱基对分辨率的三维方式可视化整个基因组。
这些发展得到了来自不同学科的科学家们的共同努力，包括细胞生物学、分子生物学和结构生物学，以及物理学、计算生物学和生物信息学。
这种跨学科的努力在过去几十年里开始揭示了生命树上染色体折叠的共同原则。

The need to fold chromosomes

Para_01

在所有生物体中，它们的基因组长度与其细胞或细胞核的尺寸相比都很大。
如果伸展开来，大肠杆菌的基因组长约为1.7毫米，而细胞直径仅为2微米。
人类所有染色体中的基因组总长度约为2米，而细胞核的直径仅为约5-10微米。
然而，鉴于DNA纤维非常细（DNA纤维直径为2纳米或染色质纤维直径为11纳米），基因组的体积可以非常舒适地容纳在细胞或细胞核内。
因此，细胞是否真的需要主动组织和折叠染色体？

Para_02

有强烈的理由说明细胞需要主动折叠它们的染色体。
首先，假设染色质表现为一种"不受限制"的聚合物（即，理想链，类似于随机行走），并且它具有约70纳米的持续长度，包含约3-5千碱基，如果只考虑人类1号染色体的一个拷贝，其无约束状态下的直径约为16微米（Rg = sqrt(250,000/3) × 70/sqrt(6) = 8微米；线圈的直径是这个数值的两倍：16微米），这超过了整个细胞核的直径。
显然，为了将所有46条染色体装入细胞核内，需要进行广泛的压缩。

Para_03

其次，我们之前概述了染色体的聚合状态对哪些位点可以物理相互作用（例如，基因及其调控元件）、这种相互作用形成的动力学以及在多少细胞中可以发生这样的相互作用具有重要意义。
在没有任何约束或主动折叠染色质过程的情况下，基因组位点之间的短程相互作用，例如相距数十千碱基，将频繁到足以在大多数细胞中在合理的时间内发生（例如，细胞周期的持续时间）。
然而，长程相互作用将很少见（对于0.5兆碱基的分离约为6%）并且即使在非常大的时间尺度上也不会在大多数细胞中形成。
最后，在没有主动和受控的折叠过程的情况下，很难想象如何获得相互作用的特异性（如下所述）。

Para_04

第三，在没有染色体组织主动管理的情况下，任何基因组过程都会受到影响。
例如，复制长DNA分子会导致姐妹DNA对在拓扑上相互缠绕，这对细胞来说是一个重大挑战，正如德布吕克早在1956年就已经意识到的那样。
为了将这些姐妹分子分配到子细胞中，细胞需要将每个分子压缩，使其变短且刚性，以便于分离，同时还要在拓扑上解开它们之间的连接。
这一过程对生命至关重要，直觉上也是最明显的需要主动折叠染色体的过程。

The chromosome folding problem

Para_01

染色体的（细胞类型依赖的）折叠与基因组沿线的（细胞类型依赖的）线性表观基因组模式相关：增强子、绝缘子和启动子等顺式调控元件的存在、位置和活性，以及（在真核生物中）定义不同染色质状态（包括常染色质和异染色质）的特定组蛋白修饰组合区域的存在。
就像蛋白质折叠问题被定义为蛋白质的一级氨基酸序列如何决定其三维折叠的问题一样，染色体折叠问题可以定义为线性表观基因组如何与细胞中染色体的空间排列和折叠相关的问题。

Para_02

然而，这与蛋白质折叠不同（见 Mirny 的综述），染色体折叠不仅由基因组元素之间的亲和力和相互作用驱动，还涉及直接折叠和重新折叠染色体的生物活动，这些分子过程在某些情况下可以以与线性表观基因组关系不大的方式折叠染色体，例如在有丝分裂过程中。
染色体构象在单个细胞之间也高度可变，这是由于染色体的非常大的长度，加上它们自组装的随机动力学，以及如环挤出等高度动态的折叠过程的作用，这些过程可以在数十分钟内对数百千碱基规模的染色体进行重组。
此外，染色体可以在几分钟内迅速改变其折叠状态，例如在进入和退出有丝分裂期间。

Para_03

我们提出了一种更为广泛的染色体折叠问题定义：即生物物理力和分子机制如何通过特定折叠机器的作用，在不同的长度和时间尺度上（例如在细胞周期、发育和其他生物学转变期间）动态地折叠和重新折叠线性表观基因组的问题。

Para_04

染色体折叠在不同界别的物种之间（例如，原核生物与真核生物）以及细胞周期进展过程中似乎存在显著差异。
这样的观察表明，染色体折叠问题可能存在许多不同的解决方案，并且必须已经演化出了特定物种和条件下的折叠机制。

Para_05

过去二十年最令人兴奋的发现之一是，只有少数普遍的生物物理和分子过程驱动染色体折叠。
这些主要的折叠机制在生命树上得到了广泛保守，但它们以不同的方式被指导、调节和部署，以产生不同折叠状态的染色体，以适应基因组的多种不同功能。

Breakthroughs in determining chromosome folding

Para_01

染色体最初是通过显微镜方法描述的。
由于最初只有植物和两栖动物中的大有丝分裂和减数分裂染色体能够通过显微镜手段单独观察，早期研究主要集中在这些染色体上。
关于有丝分裂中染色体折叠的初步概念发展了"折叠纤维"的概念，从不规则的纤维到径向环结构再到层次模型。
当荧光原位杂交（FISH）成像技术建立如何随着探针之间基因组距离的增加而增加空间距离时，间期染色体的初步物理模型开始出现。
最初的定量模型将间期染色体视为随机行走的聚合物或受限或固定的聚合物。
还提出了另一种模型，其中染色体沿其他随机行走的聚合物折叠成兆碱基大小的环（图1）。

图1. 过去几十年物理模型的演变在过去的50年里，聚合物物理学提出了越来越精细的染色体构象模型。详见正文。

Para_01

在过去的二十年里，四项重要的发展极大地增强了和改变了染色质、染色体和整个基因组的研究。

Para_02

其中第一项是能够确定许多物种的完整基因组序列。
虽然20世纪90年代初期的基因组测序工作主要集中在细菌和一些模式生物（如酿酒酵母S. cerevisiae、线虫C. elegans和果蝇D. melanogaster）的小基因组上，而且大规模的国际合作是必要的来完成小鼠和人类基因组的测序，但随着通量的进一步增加和成本的降低，现在可以对任何数量的物种和个人进行测序。
现在（接近）全长的基因组序列已经可用于数千种物种，从细菌到原生动物、古菌、真菌、植物、鸟类、哺乳动物等（例如Christmas等人、Stiller等人和Wang等人）。
值得注意的是，Hi-C技术也可以用于组装线性基因组（首次由Kaplan和Dekker以及Burton及其同事在2013年展示），现在常规用于新物种的基因组组装（例如Dudchenko等人和Hoencamp等人，参见Obinu等人对这些方法的评估）。
此外，Hi-C技术还被用来评估这些组装方法的有效性。

Para_03

其次，用于研究染色体折叠的基因组方法的发展现在允许将染色体结构直接映射到基因组序列。
其中一些方法基于染色体构象捕获（如3C、4C、5C、Hi-C、Micro-C等），而其他方法则依赖于映射靠近核内结构的DNA序列，例如DamID、TSA-seq，或识别聚集或核特定区域中共定位的位点（如GAM、SPRITE等）。
近年来，这些方法的分辨率有所提高，以至于可以在亚千碱基分辨率下获得基因组的三维图谱，甚至在单细胞中也是如此（例如Nagano等人、Nagano等人、Ramani等人、Li等人、Kind等人和Tan等人）。
这些进展使得我们能够更精细地理解基因组在细胞核内的组织方式。

Para_04

第三，开发能够分析数千个位点空间位置的成像方法，以便在单细胞中追踪整个染色体甚至基因组的三维结构。
这些方法包括大规模位点追踪；OligoStorm 和 OligoDNA Paint，以及 ORCA。
这些并行发展的活细胞‘追踪’染色体动态的方法揭示了潜在的折叠过程。

Para_05

第四个方面包括从聚合物物理的角度对染色体折叠理解的发展：从20世纪90年代初的随机行走模型和蠕虫链模型，到早期的环状链模型，再到对拓扑效应的认识，以及最近关于活性聚合物或由马达驱动（环挤出）的聚合物的研究，还有折叠成环的聚合物模型，以及聚合物动力学和对外部力响应的模型。

Para_06

关于使用基因组和基于成像的方法来确定染色体结构的发展和应用已在其他地方进行了广泛回顾，我们建议读者查阅这些综述以及其中引用的原始文献。
在这里，我们关注当前对不同条件和不同物种中染色体结构是什么的看法；这种结构形成机制；以及染色体结构与功能之间的关系。

Four mechanisms for folding chromosomes

Para_01

许多物种的研究表明，它们共享染色体折叠的关键机制。在这里，我们描述了这些机制。
,

Compartmentalization

隔室化

Para_02

真核生物间期细胞核内染色质空间组织的最早描述特征之一是不活跃异染色质与活跃常染色质的空间分离（图2），这是由 Emil Heitz 首次描述的。
经典的显微镜研究显示，密集、压缩的染色质聚集在核周缘，而解凝、开放的染色质则位于更中心的位置。
后来的研究表明，基因密度较高的染色体倾向于位于中心位置，而基因较少的染色体则更多地分布在核周缘。
关于 DNA 复制时间的研究也显示了早期和晚期复制的染色质的空间分离，这与常染色质和异染色质相关联。

图2. 核组织的两个过程：通过同型亲和力进行区室化和锚定到核周缘
（A）真核染色体由交替的A和B区室组成。
在传统的核组织中，强烈的B-B亲和力导致A和B区室的空间分离。
A-A亲和力较弱，对分离的贡献较小。
此外，一些B区室被锚定到核周缘，导致异染色质在核周缘富集，而常染色质位于中心区域。
（B）在没有B区室域锚定到核周缘的情况下，A/B区室化正常发生，但由于强烈的B-B亲和力，所有B区室在核中心聚集成簇，而A区室位于外围（倒置核）。
（C）当存在多于两种区室类型时，情况更加复杂。
A和B区室可以分为不同的子区室，这些子区室也可以表现出显著的优先同型亲和力，导致它们的空间分离。

Para_02

诸如 DamID 的基因组检测方法直接绘制了靠近核纤层的序列，再次确定了这些区域基因贫乏且大部分转录沉默。
最早的 4C 和 Hi-C 数据集显示，在全基因组尺度上存在空间隔离的常染色质和异染色质域。
在 Hi-C 中，相似染色质状态和活性状态的位点之间的富集相互作用很容易被检测到：活跃和开放的染色质与其他活跃和开放的位点相互作用，沿着同一条染色体（顺式）和不同染色体之间（反式）进行。
同样，不活跃的位点也彼此相互作用。这种现象被称为区室化。

Para_03

最初的低分辨率 Hi-C 研究（兆碱基尺度）显示了两种自相互作用的染色质类型的存在，这两种类型（A 和 B 区室）分别具有常染色质和异染色质的所有特征。
随后的高分辨率 Hi-C 图谱显示，这两种主要类型的区室可以进一步分为所谓的亚区室，这些亚区室在精确的染色质组成上有所不同，例如组蛋白修饰模式，并且可以小至几千个碱基。
每个这些亚区室都显示出与其他位点的长距离相互作用的特征模式，但大多数倾向于与相同亚区室类型的其他位点相互作用（图 2A）。
一个重要的近期认识是，亚区室类型的数量比先前预期的要多（图 2C），并且这些亚区室并不一定是普遍存在的，即，在给定的细胞类型中，并非所有亚区室类型都能被观察到。

Para_04

隔室化被认为是由位点之间的同型亲和力驱动的（图2）。
这些亲和力的分子性质尚未完全了解。
有趣的是，隔室化主要在具有核小体的真核生物中被检测到，而在没有核小体DNA的真核生物中，如甲藻和某些古菌中则未被检测到。
尽管可以提出其他解释，但这可能表明组蛋白在这个过程中起着关键作用。
隔室化与组蛋白修饰的存在相关：每个亚隔室具有一系列特征性的组蛋白修饰。
在体外，携带组蛋白H3赖氨酸9三甲基化（H3K9me3）的短染色质纤维可以形成凝聚体，表明修饰后的组蛋白本身可以在异染色质聚集过程中发挥作用。
此外，识别组蛋白修饰模式的因素可以作为桥接因子，并通过这种方式将远端位点连接起来以稳定隔室化。
例如，HP1蛋白可以结合H3K9me3，并且可以同时结合多个组蛋白尾部。
这种桥接因子也可以自身相分离，导致这些蛋白质与多个位点聚集在一起。
虽然HP1蛋白可以通过这种方式促进隔室化，但HP1的丢失对隔室形成的意外影响很小，这指向了其他尚未确定因素的作用。
其他例子包括多梳复合物，它们介导组蛋白H3赖氨酸27三甲基化（H3K27me3）修饰，然后与带有此标记的染色质结合，稳定这些因子沉默的位点之间顺式和反式的长程相互作用（关于这一主题的广泛文献综述，请参见Akilli等人和Schuettengruber）。
虽然许多多梳结合位点位于较大的A隔室中，并且可以位于细胞核中心，但它们倾向于与其他多梳结合位点进行显著的长距离相互作用，例如在果蝇和脊椎动物中，特别是在胚胎干细胞中尤为明显。

Para_05

隔室化构成了一种微观相分离现象，即由A和B单体（或更多类型）组成的聚合物（染色体）形成空间上分离的域，这些域的大小取决于序列中块的大小。
这种过程可以由同型元素（A-A和/或B-B）之间的吸引力驱动。
相分离也在体外染色质重建实验中观察到。
初步研究表明，Hi-C数据中观察到的特征性A/B隔室化模式可以通过具有同型亲和力的模型再现，但这些亲和力对A和B隔室的相对贡献仍不清楚。
一个解决方案来自视杆光感受器中"倒置"的细胞核这一罕见的生物系统。
在这样的细胞核中，异染色质与核周缘的自然脱离导致异染色质重新定位到中心，而常染色质占据外围位置。
显微镜检查和Hi-C证实，尽管它们发生了倒置，但这些细胞核仍然是完全隔室化的，这表明隔室化是由染色质内的相互作用而非异染色质位点与核纤层的锚定所驱动的。
聚合物模型进一步证明了异染色质区域的同型亲和力驱动隔室化，而常染色质区域之间的亲和力则弱得多（图2B）。

Para_06

这些模型的预测通过液相染色质 Hi-C 直接观察染色质相互作用的解离动力学得到证实。
在液相染色质 Hi-C 中，染色质在原位被片段化，导致染色质相互作用随时间逐渐解离，这可以通过 Hi-C 测量。
研究发现，即使当染色质被片段化至平均大小为 10-20 kb 时，染色体仍然保持区室化。
当染色质被片段化至小于 6 kb 的大小时，相互作用的染色质片段在几十分钟内解离。
重要的是，解离的动力学与染色质状态有关，异染色质位点比常染色质位点解离得更慢，表明异染色质位点之间的亲和力更高。
结合使用深度测序 Hi-C 数据集获得的观察结果，这些数据显示亚区室可以小到几千个碱基对。
研究发现，H3K9me3 标记的异染色质位点之间的相互作用更为稳定，因此对区室化的贡献最大，这与建模预测一致。

Para_07

由H3K9me3标记的异染色质位点之间相对稳定的相互作用驱动的隔室化机制不排除其他区域（例如常染色质位点）之间的亲和力（这些因素可以是直接的或通过核仁介导的）（图2C）。
事实上，从Micro-C125,126中可以看出，组蛋白H3赖氨酸27乙酰化（H3K27ac）区域之间的接触富集，这在Hi-C127中通过对数千个区域的平均计算而明显，但使用区域捕获Micro-C128,129观察最为清晰。
虽然表明常染色质区域也具有一些同型亲和力，但需要进行平均计算或极其深入的测序，表明这种接触很少见，与显微镜检查结果一致127。
尽管它们可以帮助稳定在亚兆碱基距离上的调控元件和启动子之间的瞬时相互作用，但在更大的基因组距离上这种接触的罕见性表明它们可能只有少数功能作用。
活性位点之间的相互作用也可以由桥接因子驱动。
例如，Brd2/3/4蛋白质可以在体内和体外驱动带有H3K27ac标记的染色质聚集109。
一个特别有趣的案例是一种致癌的BRD4-NUT蛋白融合，它可以导致H3K27ac通过大片段扩散，进而导致这些高乙酰化的"巨域"在空间上的聚集130。
这可能对正常细胞也有意义，在正常细胞中，即使是相对较小的H3K27ac富集位点如增强子和启动子也可以形成小的微区室域128,131,132。

Para_08

作为由亲和力驱动的过程，区室化的一个重要方面是，这种聚集和空间分离将在顺式和反式中发生。
这使得该过程与染色质折叠的其他机制（如严格在顺式作用的环挤压）从根本上不同（见下文）。
此外，区室化是由局部相互作用驱动的，导致整个染色体或基因组尺度上的随机组装。
换句话说，在每个细胞中，都会获得不同的构型，但在每个细胞中，活性位点更倾向于与其他活性位点聚集，但具体哪些位点聚集在一起可能有所不同。
这一过程导致具有相似染色质状态的位点随机共定位，但在任何给定细胞中，具体哪些DNA序列相互作用的特异性有限。
这一方面对于理解区室化的潜在功能角色很重要。

Para_09

尽管区室化主要在真核生物中观察到，但支持这一现象的生物物理过程，即亲和力驱动的聚类位点，可能也在原核生物中发生（如下）。

Loops, extrusion, and their control

循环、挤出及其控制

Para_02

关于有丝分裂染色体中的染色体环的首次描述于1977年发表在本期刊上，这导致了有丝分裂染色体的径向环模型的提出。
关于间期染色体中存在环的建议大约在同一时间开始出现，基于沉降数据，并且后来作为与显微镜数据拟合的物理模型出现。

Para_03

现在所知的环挤压过程（图3）有着丰富的历史。
酶介导的环增长的想法开始出现在文献中，作为许多不相关的假设机制的基础，包括VDJ重组、间期染色体的压缩、增强子-启动子相互作用、超螺旋以及有丝分裂的压缩和分离。
许多研究将这些过程归因于染色体结构维持（SMC）复合体，有迹象表明SMC可以作为染色质压缩马达。
在有丝分裂压缩的背景下，环挤压首次被数学建模。
然而，由于缺乏能够根据这些机制的活动做出具体预测的聚合物模型，以及实验数据来测试和验证这些模型，这些提议在很大程度上仍停留在假设阶段。

图3. 两种环挤出机制产生不同的构象，这与间期和有丝分裂一致
（A）环挤出器的活性：复合体加载并在一定时间后挤出，之后可能会解离或被主动卸载。
（B）左：在间期（在脊椎动物中），凝聚素是主要的环挤出复合体。它具有较短的停留时间，产生低密度的瞬时环，染色体呈现扩散形状。凝聚素可以被CTCF结合位点阻断，在这些元件处产生定位环的富集。右：在有丝分裂期间，凝聚素是主要的环挤出复合体。凝聚素II具有较长的停留时间，产生稳定的连续环阵列，导致染色体压缩成杆状的有丝分裂染色体。凝聚素不受CTCF的阻碍，环阵列不在细胞群体中的可重复位置定位。
（C）在细菌中，环挤出复合体在定义的加载位点重复加载，可以导致染色体臂的并置，即加载位点两侧的序列并置。

Para_03

染色体构象捕获数据的出现为通过环挤压机制发展和测试染色体折叠机制提供了丰富的基础。
该理论的一个预测是，实现有丝分裂压缩将导致形成一个环阵列，其中不重叠的环依次排列（如果挤压器不能相互绕过）。
确实，有丝分裂细胞的5C和Hi-C数据与这种环的组织方式一致。
聚合物模拟进一步表明，环挤压可以压缩和分离染色单体的聚合物，导致模拟染色体的形态类似于早前期染色体的形态。
间期期间的环挤压被建议作为最近发现的拓扑关联域（TADs）及其相关特征（如Hi-C相互作用图中观察到的条纹和点）的基础机制。
建模研究还提出，环挤压马达是SMC复合体：间期中的凝聚素和有丝分裂期间的浓缩素，而挤压障碍则是DNA结合的CCCTC结合因子（CTCF）蛋白。
CTCF和凝聚素耗尽以及调节实验广泛支持了环挤压假说，所有这些实验都产生了模型预测的结果。
单分子实验中对SMC进行环挤压的直接可视化和表征（参见Davidson和Peters以及Hoencamp和Rowland的综述）证明了这些复合体确实是环挤压马达，正如预期的那样。
证明同一机制在不同条件下可以导致间期组织或有丝分裂压缩（图3B），这表明SMC的环挤压可能是一种普遍的染色体组织机制。

Para_04

SMCs 是环形且灵活的蛋白质复合物，包括凝聚素、浓缩素、SMC5/6、它们的细菌对应物，以及可能涉及 DNA 修复的其他复合物。
尽管已知浓缩素对有丝分裂染色体压缩至关重要，但其作用机制长期以来一直未知。
凝聚素被描述为一种保持两个姐妹染色单体在一起的复合物。
预测的 SMCs 的环挤出活性最初是一个惊喜，但单分子实验已明确证明 SMC 复合物可以以 ATP 依赖的方式挤出环。
在使用裸露 DNA 作为模板的体外实验以及活细胞中的内源性染色质上，环挤出速度很快：约 1-3 千碱基/秒。
不同的 SMC 被发现是单侧或双侧环挤出器，双侧挤出可能是由单侧挤出活动的快速切换引起的。
这些复合物具有相对较低的停滞力（即，0.1-1 纳牛的力量足以停止挤出），一些复合物如凝聚素会被障碍物如 RNA 聚合酶、CTCF 和微小染色体维持（MCM）蛋白所阻拦（后两者通过特定的蛋白质-蛋白质相互作用）。
另一方面，浓缩素显示出令人惊讶的能力，可以绕过彼此或比它们大得多的障碍物。
然而，环挤出和力生成的分子机制仍然神秘，并且是活跃的研究领域。

Para_05

这些发展与细菌中 SMC 及其活性的研究并行。
在枯草芽孢杆菌和 Caulobacter crescentus 中的 5C 和 Hi-C 研究揭示了染色体以‘半折叠’的方式折叠，两个相邻的臂以 SMC 依赖的方式排列。
进一步的研究不仅表明一些 SMC 在特定位点（许多物种中的近起源位置，例如，在枯草芽孢杆菌的 ParS 位点附近）装载，而且还直接观察到了这种装载如何导致臂的逐渐并置（图 3C）。
值得注意的是，在真核生物研究之前，细菌中的时间解析 Hi-C 允许测量活细胞中环挤出的速度约为 1 kb/s。

Para_06

我们对环挤出机制的理解在过去几年里有了显著的进步。
实际上，原始环挤出模型的每一个假设和预测都受到了挑战并且大部分得到了证实。
正如预期的那样，黏连蛋白的耗竭导致所有位点之间的距离增加，这通过染色质追踪可以看到，并且大约50%的染色质在任何时候都位于挤出的环中。
许多在拥挤的DNA上运作的过程和复合物作为环挤出的障碍，包括转录过程、复制机制的元素，甚至在G1期也是如此。
CTCF仍然是已知最强的障碍，依赖于一种特定的肽来阻止挤出。
然而，单个CTCF位点是可渗透的，连接两个CTCF位点的环很少见且短暂。
总的来说，这些发现表明，由环挤出形成的接触模式是暂时的，这意味着发挥功能作用的是挤出过程本身而非特定的模式。

Para_07

正在发现决定染色体上不同复合物之间相互作用如何解决的几种"交战规则"，
它们可以互相阻止（可能是凝聚素），一个触发另一个的卸载（例如，浓缩素触发扩展凝聚素的卸载），或者它们可以绕过彼此，从而形成更复杂的重叠环（如在单分子实验和细菌中所见）。
环状扩展的 SMC 与保持姐妹染色单体的 SMC（"凝聚力凝聚素"）之间的相互作用也可以变化，酵母凝聚素在姐妹凝聚力位点停止，而动物浓缩素在有丝分裂过程中绕过这些位点。

图4. 不同SMC的交战规则导致压缩染色体的不同环状组织和结构（A）环状扩展SMC（绿色和黄色）相遇的三种可能结果：它们可以相互阻挡，形成连续的环；绕过对方形成所谓的Z-环；或者一个促进另一个的解离（还有其他可能的结果，例如一个将另一个推回等）。
（B）凝聚素（蓝色环）与环状扩展SMC（黄色）之间相互作用的两种可能结果。顶部：当扩展器被凝聚复合物阻挡时，预测姐妹染色单体会在环的基部连接，形成单一轴（如同减数分裂前期I和有丝分裂前期早期）。当扩展器能够绕过凝聚复合物时，预测姐妹染色单体会通过它们的环尖端连接（如同有丝分裂前期中期）。

Para_07

许多这些机制可以由基因组元件和表观遗传背景控制。
目前已知的例子包括甲基化依赖的CTCF结合，靶向加载（在细菌的ParS位点，以及可能在活跃增强子处，但不在动物的启动子处），局部挤出活动域（如在蚕中提出的），以及SMC卸载位点（例如，在人类和小鼠中活跃基因的3'末端）。
表观遗传背景在调节环挤出中的作用尚不完全清楚。
虽然在常染色质和异染色质隔室中挤出都是活跃的，但异染色质对CTCF结合具有抗性，因此缺乏边界。

Para_08

在一个生物体中学习规则并将其外推到其他生物体，我们预期（1）动物中细胞外排、装载和卸载的速度可以受到表观遗传控制；（2）复制叉和可能的其他基因组过程可以停止/暂停细胞外排，从而打破或建立细胞外排介导的相互作用；（3）沿基因组的细胞外排活性可能是不均匀的。
广泛而言，通过分化和发展过程中细胞外排介导模式的变化表明，表观遗传标记可以控制细胞外排和屏障。细胞外排反过来可能在表观遗传标记的定位和扩散中发挥作用，正如双链断裂修复时由CTCF界定的gammaH2AX扩散域所暗示的那样。

Associations with landmarks of the nucleus

与核地标相关的联系

Para_02

在真核生物中，基因座可以被固定到核周缘和核仁，以及其他富含RNA加工和剪接因子的结构，如核斑点。
在原核生物中，特定的基因座可以被固定到细胞壁上，例如，在伸长的细胞的一极，C. crescentus 的 ParS 位点被固定到细胞壁上。

Para_03

关于锚定的分子机制，目前仅对少数这样的关联有了较为清晰的认识。
在脊椎动物中，异染色质区域与核周缘的锚定已经得到了广泛的研究。
被称为层粘连蛋白相关域或LADs的大区域被发现与核周缘相关联。
这些区域富含特定的组蛋白修饰，如H3K9me3和H3K9me2，并且通常转录沉默且结构紧凑。
层粘连蛋白可能并非唯一参与的因素，其他因素如层粘连蛋白B受体也被发现起作用。
然而，对于决定核仁或斑点周围位点聚集的因素知之甚少，但已提出CTCF可能在此过程中发挥作用。

Para_04

核亚结构处的锚定位点的功能相关性在很大程度上是未知的。
虽然大多数细胞在核周缘有异染色质域，但在特殊细胞类型如杆状细胞中，异染色质没有被固定，而是位于核中心。
这不影响区室化，似乎对基因表达也没有显著影响。
还应注意，一些活性染色质也可以定位在核周缘，特别是在核孔周围。
这些关联的功能相关性尚未确定，但一种可能的作用是这将有助于快速的mRNA输出（"基因门控"）。

Para_05

在其他生物或条件下，将位点固定到细胞壁（如细菌）或核膜对于染色体分离或染色体配对（例如，减数第一次分裂）至关重要。
虽然固定是一种促进位点空间定位的直接方法，但需要大量工作来探索分子参与者，以及参与这些事件的任何顺式作用元件的作用，并探讨其功能相关性。

Topological constraints

拓扑约束

Para_02

拓扑效应在细胞管理其极长的染色体、解开链结和压缩长链中的作用引起了生物学家和物理学家的共同关注。
发现拓扑异构酶II对染色体个体化至关重要，并且被认为对于快速有丝分裂压缩也是必需的。
拓扑约束和缠结对聚合物动力学的影响在物理学中早已为人所知，并被假设影响基因组的折叠方式。

Para_03

聚合物理论表明，当拓扑异构酶 II 活性缺失或非常低时，即存在拓扑约束，可以导致两种现象：(1) 有丝分裂后染色体之间的混合异常缓慢，导致形成染色体区域；(2) 每条染色体内平衡过程缓慢，导致链折叠成一种非平衡且寿命较长的分层组织且无结状态，这种状态被称为分形（或"皱褶"）球体。

Para_04

果蝇的聚合物模拟和显微镜数据分析表明，每个染色体内的聚合物折叠成这种皱缩状态，并且它们可能极其缓慢地达到平衡。
第一批 Hi-C 数据和聚合物模拟提供了令人信服的证据，证明人类间期染色体在低于约 10 Mb 的尺度上折叠成分形球体状态。
在这种状态下，染色体类似于一条"空间填充"曲线，即染色体的连续区域形成紧凑的空间块，如显微镜观察所示。
基因组位点之间的接触概率 P 随基因组距离 (s) 衰减，P(s)∼s−ɑ，其中 ɑ≈1–1.1。
这与没有拓扑约束的聚合物形成对比，即链可以通过自由发生，当被压缩时，它类似于受限中的随机行走构型，其中短的连续区域被扩展而不是压缩，导致接触概率随基因组距离迅速衰减 (ɑ≈1.5)，随后趋于平稳。
有趣的是，酵母 S. cerevisiae 的染色体臂相对较短（长达 0.8 Mb），并且没有紧凑的有丝分裂状态，显示出随机行走折叠 (ɑ≈1.5)。
哺乳动物细胞的多接触 3C 数据和聚合物模拟也表明，每个染色体基本上是未打结的。
尚不清楚这种未打结且局部紧凑的分形球体折叠和染色体领地是否具有特定的功能作用，还是仅仅代表了由拓扑约束保留的解缠结后期状态的记忆。

Para_05

最近，关于细胞如何管理染色体拓扑状态的图景变得更加复杂。
拓扑异构酶II的活性允许链通过，使链变成一个拓扑上不受限制的状态，这可能导致缠结水平的增加或减少。
有趣的是，环挤出可以偏向于解开最初打结的链的拓扑异构酶II活性。
挤出的环也可以缓冲拓扑相互作用，使链对拓扑约束不那么敏感，例如在间期染色体中。
由于拓扑异构酶II在有丝分裂压缩中的关键作用，以及在微机械实验中的证明，有丝分裂染色体的自我缠绕长期以来一直被预期。
最近的一项研究表明，有丝分裂和间期染色体具有非常不同的拓扑状态，其中有丝分裂染色体高度自我缠绕，而间期则相对较少打结，并提出了一条途径，允许细胞在退出有丝分裂时在这两者之间转换。
然而，为了将高度缠绕的有丝分裂染色体转化为无缠绕的间期状态，细胞在有丝分裂退出期间需要高活性的拓扑异构酶II。
为了指导拓扑异构酶II的活性趋向于解除缠绕，然后保持这种无缠绕的间期状态，提出了一个两阶段的有丝分裂退出机制。
在第一阶段，保持有丝分裂环的同时解压，使拓扑异构酶II偏向于解除有丝分裂状态的缠绕，在末期形成无缠绕的紧致状态。
在第二阶段，染色体在没有太多拓扑异构酶II活性的情况下扩展，从而在G1期形成染色体领地和分形球状状态。

Para_06

姐妹染色单体最初在 S 期期间和之后拓扑上相互缠绕。
即使在没有凝聚复合体的情况下，这种拓扑连接也会保持姐妹染色单体之间的连接。
为了分离，这些缠绕需要被移除。
建模显示，在拓扑异构酶 II 活性存在的情况下，环状挤压可以驱动每个姐妹染色单体的压缩，同时解开它们的连接。
实际上，挤压将姐妹染色单体彼此拉开，这将推动拓扑异构酶 II 的无偏向链通过反应朝向去连结。

The physical state of chromosomes

Para_01

虽然 Hi-C 提供了关于染色质全局状态的关键信息，即接触概率与基因组距离的标度关系 P(s) ∼ s−ɑ，但显微镜测量了一个互补的特征：空间分离 R(s) ∼ sv。
间期动物染色体通常在 s ≈ 0.5–10 Mb 范围内产生 ɑ ≈ 1–1.2 和 v ≈ 0.25–0.3，这与分形（皱褶）球体折叠一致，即长连续区域的基因组占据空间中的连续体积，几乎充满空间。
分形球体状态受到挤出环的影响，因此当凝聚素耗尽和同步细胞时最明显，导致从 10 kb 到 10 Mb 的 P(s) ∼ s−1.1 标度（例如，Schwarzer 等人的研究，Hsieh 等人的研究，以及 Samejima 等人的研究）。
在酿酒酵母 S. cerevisiae 中，Hi-C 和显微镜测量得到 ɑ ≈ 1.5 和 v ≈ 0.5，这两个特征表明酵母染色体臂——远离聚集的着丝粒和固定的端粒——主要是不受限制的聚合物。
在脊椎动物中，这种折叠的分形球体性质完全符合区室化和环挤出的特点。
然而，由于难以将分形球体状态与动力学和力响应调和，这种皱褶状态的物理性质，以及间期脊椎动物染色体的物理性质，仍然令人费解。

Para_02

染色体动力学的研究提供了与从 Hi-C 和显微镜学到的观点互补的视角。
此外，通过活细胞显微镜测量的接触的时间尺度和频率为理解功能元件之间的相互作用奠定了基础。

Para_03

早期关于脊椎动物染色体动力学的研究使用了与组蛋白融合的光激活绿色荧光蛋白（GFP），这使得能够追踪核内整体染色体组织模式的变化，并带来了两个关键见解。
首先，在间期期间的动力学相当缓慢，大约24小时的间期内位移约为1微米。
其次，细胞分裂后，各个位点的位置发生了大量的随机化。

Para_04

在活细胞中追踪单个（或一对）位点，可以量化时间间隔 t 内的均方位移 (MSD)，得到 MSD ∼ tμ，其中 μ 在细菌、酵母、果蝇和哺乳动物细胞中为 0.35–0.5。
在 S. cerevisiae 中，测量得到的 μ= 0.5 与 Hi-C 和显微镜测量结果完全一致，这表明位点的运动类似于柔性但不受其他约束的聚合物（所谓的 Rouse 模型）。
令人惊讶的是，大多数动物细胞的研究也报告了 μ= 0.5，这很难与 P(s) 和 R(s) 以及预期给出 μ= 0.2–0.4 的分形球模型相协调（参见 Tamm 和 Polovnikov 的综述）。
当使用相同的方法在同一细胞中测量这两个特征时，皱缩的 R(s) 与不受限制的 MSD 之间的这种不一致变得尤为明显（参见 Grosse-Holz 和 Brückner 的综述）。
一些哺乳动物细胞的研究得出 μ= 0.2，被解释为核质特性的反映，并暗示染色质接近凝胶状态。
然而，活细胞测量及其分析严重依赖于实验的具体情况和对定位不确定性的校正（参见 Grosse-Holz 的综述）。

Para_05

活细胞追踪还估计了染色体区域采样其构象所需的时间。
例如，在哺乳动物细胞中，一个0.5 Mb的染色体区域采样其构象大约需要40分钟，而两个相距150 Mb的位点靠近到约100-200纳米的距离仅需5分钟，而较大的（约2 Mb）区域在40分钟内未能达到平衡。
这些时间并不简单地意味着染色体位点之间功能分子相互作用的时间相同。
例如，相距0.5 Mb的CTCF位点每天只有一次形成稳定的相互作用，并且需要凝聚素介导的挤压。
总体而言，动力学和接近性如何转化为功能相互作用仍有待观察，这可能严重依赖于建立此类相互作用的半径范围以及分子环境。

Studies of chromosome mechanics

染色体力学的研究

Para_06

与显微镜和 Hi-C 获得的图像互补的是染色体力学的研究。
环状形成和扩展以及染色质域的压缩/扩展发生在拥挤的染色质环境中，导致作用于染色体的机械力。
已经提出，折叠染色体的分子过程与机械力之间的相互作用指导了有丝分裂和减数分裂染色体的压缩和分离。

Para_07

对整个细胞核进行机械扰动表明，对于小位移，核反应是由附着在核纤层上的染色质聚合物的弹性特性驱动的；而对于较大位移，则是核纤层的拉伸决定了反应。
诱导高水平的组蛋白甲基化使染色质变得更硬，而高水平的组蛋白乙酰化则使其变得更软。
这表明，在某些细胞类型中，染色质可能在提供核的最佳机械性能方面发挥作用。

Para_08

对分离的人类有丝分裂染色体进行的微机械研究提供了重要的见解，表明（1）染色体具有非凡的弹性，能够延伸至其长度的五倍以上；
（2）组蛋白甲基化在使染色质硬化中的作用，这与这种异染色质区域的自相似性一致；
（3）HP1α在介导这些相互作用中的作用；
（4）凝聚素和拓扑缠结在提供有丝分裂染色体机械稳定性方面可能发挥的关键作用。
总体而言，这些研究表明，显著的交联将一个有丝分裂染色体转化为凝胶。
然而，这些交联的性质——拓扑学上的、SMC基的或非SMC基的——仍有待理解。

Para_09

最近的一项研究对间期染色体进行了活人细胞中的拉伸-释放机械扰动实验。
这些实验表明，染色体的行为几乎不受限制（Rouse模型），这与它们的动力学特征相符（见上文）。
令人惊讶的是，染色体位点可以在短短几分钟内跨越核内的微米距离。
自由聚合物模型在受到周围介质弱亲和力作用下可以重现这种染色质行为，这表明间期染色体与有丝分裂期染色体不同，不是凝胶状或交联的。
总之，发展一个能够统一Hi-C、显微镜观察、活细胞动力学和力学的间期染色体物理模型是一个重要的挑战。

Folding chromosomes through the combined action of different folding mechanisms

Para_01

染色体或整个基因组的最终折叠状态是由上述几种折叠机制共同作用决定的（图5）。
除了物理连接外，每个位点还受到这些机制施加的力量的影响，这些力量共同决定了它相对于其他位点的位置、局部动态以及与核周结构如核周缘或核体包括斑点和核仁的关联。
此外，折叠机制之间存在相互作用，例如，环挤出与区室化之间的相互作用，使得染色体折叠不仅仅是每个过程单独作用的累加效果。
我们以脊椎动物间期基因组折叠为例进行讨论，因为这是最被理解的情况，但强调我们认为这种共同作用可以更普遍地解释染色体折叠。

图5. 通过多种机制的综合活动组织间期染色体的当前模型
真核生物间期染色体构象的示意图，作为多种折叠机制的结合和整合结果。
染色体是一个类似蠕虫的链，通过同型亲和力在不同的隔室（A/B 隔室或更细的子隔室）中相分离。
域与核结构（如核纤层、核仁或包括斑点在内的核体）的连接导致位点和染色体定位在特定的核位置。
拓扑约束防止间期混合，但在有丝分裂过程中形成自缠结，有助于完全且快速的压缩。
在数百千碱基的尺度上，由顺式元件决定的环挤出机制（加载、卸载和阻断 CTCF），与其他折叠机制（包括区室化）广泛相互作用，增加了染色体折叠的另一层。

Para_01

在间期，沿着每个染色体的长度，表观基因组交替形成不同类型的染色质域序列。
（亚）区室化的过程导致相似类型的位点通过亲和力驱动的过程在空间上聚集。
这一过程自然地在兆碱基到整个染色体的尺度上产生随机组装。
此外，通过将位点固定在核周缘、核仁、斑点等处施加了额外的约束。
此外，高度动态的黏连蛋白介导的环挤压将在高达数百千碱基的尺度上使位点聚集在一起。
所有这些作用于一个受拓扑约束的染色质纤维上。
如上所述，黏连蛋白在整个基因组中的挤出模式由活性增强子的存在指导，这些增强子可以促进黏连蛋白的加载，CTCF 结合位点可以阻止挤出，以及黏连蛋白卸载的位点（例如，在活性基因下游）。
这些顺式元件决定了一个黏连蛋白‘交通模式’，该模式在细胞群体中产生了 Hi-C 观察到的一系列结构特征：由附近 CTCF 位点界定的富含挤出依赖性染色质接触的连续域（TADs）的形成；CTCF 位点之间的瞬时环，CTCF 位点之间和侧翼域之间的富集接触（Hi-C 地图中的条纹或辐射）；以及一些由环挤压和亲和力驱动的相互作用（见下文）促进的增强子-启动子相互作用。

Para_02

不同的折叠机制之间存在重要的相互作用。
这也许最好地体现在区室化和环挤出之间的相互作用上。
环挤出可以延伸到数百千碱基，并且可以从一个亚区室域跨越到另一个，从而将不同染色质状态的位点聚集在一起，而这些位点通常倾向于空间分离。
这不仅影响直接相邻的域，增加的染色质混合似乎也导致更大尺度上的域混合，例如，相隔较远的基因组距离或甚至位于不同染色体上的区室域之间的相互作用。
实际上，环挤出使得不同的亚区室比它们本来应有的分离程度更低。

Para_03

模拟表明，这不仅仅是被挤出的环，整个挤出过程本身也削弱了区室化。
这种效应在实验中尤为明显，其中通过快速耗尽黏连蛋白（例如使用降解子方法诱导降解黏连蛋白复合体的亚基）来废除环挤出。
在这样的实验中，区室化更加明显，即不同类型的区室分离得更强烈。
此外，出现了较小的区室域，而在对照细胞中，这些域似乎依赖于黏连蛋白而被相邻域所包含。
在黏连蛋白耗尽的细胞中观察到的区室模式与表观基因组谱型更为吻合，再次表明环挤出干扰了域通过内在亲和力驱动过程自然区室化的趋势。

Para_04

虽然将 B 区室的位点拴系到核周缘并不是直接驱动区室化本身，但它确实决定了哪些 B 域与其他染色体上的哪些 B 域相互作用，这通过 Hi-C 观察到。
在没有这种拴系的情况下，例如在视杆细胞的倒置核中，区室化过程不受影响，但 B 区室域之间的染色体间相互作用模式发生了改变。

Para_05

最后，尽管在间期（在真核生物中）染色体内部和之间的拓扑缠结似乎很少见，但这并不意味着拓扑转换在调节真核生物间期染色体折叠中不起作用。
例如，cohesin 急性耗竭时观察到的隔室化增加部分依赖于拓扑异构酶 II 的活性。
任何实时的隔室化变化可能涉及位点的移动，这可能通过允许拓扑异构酶 II 依赖的链穿过来实现。

The same mechanisms can produce different folded states

Para_01

在多细胞生物中，间期不同类型的细胞通过顺式调控元件的不同活性、不同的组蛋白修饰模式和DNA甲基化表达不同的基因。
鉴于亲和力驱动的区室化以及凝聚素介导的环挤出过程直接受这些特征和顺式元件（上述）的指导和调节，不同细胞类型中的基因组折叠方式也不同。
然而，尽管不同的位点会被聚集在一起或形成环，但总的折叠原则是相同的：子区室之间的亲和力将推动它们的空间聚集，环挤出将在整个基因组中发生，凝聚素将在该细胞类型中活跃的顺式元件处被招募、卸载和阻断。

Para_02

相比之下，染色体组织在不同的物种和界（例如，原核生物与真核生物）之间以及在有丝分裂和减数分裂细胞周期中可能显得非常不同，这表明在这些情况下，可能存在着非常不同的折叠原理和机制。
过去十年对许多不同物种进行的广泛研究，以及对同步通过细胞周期的细胞的研究，得出的一个关键见解是，在所有情况下，折叠都是由上述相同的一小套机制驱动的。
这是因为这些机制，特别是环挤出过程，特别灵活，可以通过多种方式调节，从而产生各种染色体结构。

Para_03

下面我们提供了环状挤压、区室化、系留和拓扑缠结的差异部署如何导致细胞周期中以及跨界观察到的大量结构多样性的例子。

Interphase vs. mitosis

间期与有丝分裂

Para_04

细胞周期中染色体形态的显著变化是细胞如何折叠、展开和重新折叠其基因组以适应间期的基因表达和有丝分裂期间染色体精确分离的一个极好例子（图3B和4B）。
正如最初基于广泛的显微镜研究、生化和成像实验以及后来的基因组（5C和Hi-C）研究和聚合物建模所提出的，我们现在理解到，在晚前期，每个姐妹染色单体都被折叠成一个连续环的压缩阵列。
这些环是由凝聚素复合物形成的：凝聚素II首先在前期产生相对较大的（400 kb至1 Mb）环，而在前期末期，凝聚素I则将这些大环分割成较小的（100 kb）环。
这产生了环的嵌套排列。
与许多环定位在可重复位置的间期不同（例如CTCF位点），在有丝分裂中没有观察到定位的环。
然后，环的阵列获得了螺旋组织结构。
这种螺旋组织需要凝聚素II，并且是不规则的。
已经观察到了扭曲，即螺旋旋转的手性每半转交替一次，这些现象与姐妹染色单体之间的连接有关。
同时，染色质通过组蛋白乙酰化的全局减少而凝缩，导致位点间的亲和力驱动相互作用。
在Hi-C研究中，没有观察到或仅观察到非常弱的A或B区室。

Para_05

有丝分裂染色体的组织结构与上述描述的间期染色体明显不同。
然而，这两种状态都是由机制相似的环状挤出过程和亲和力驱动的位点-位点相互作用所驱动的。
使这些结构不同的在于这些机制的实施方式。

Para_06

首先，在间期，黏连蛋白是主要的环挤出复合体，而在有丝分裂中，有两种类型的浓缩蛋白复合体起作用。
这种简单的挤出复合体转换解释了间期和有丝分裂染色体折叠之间的大部分差异。
据估计所有复合体以相似的速度挤出DNA（体外1-2 kb/s，体内24）。
然而，黏连蛋白在染色质上的停留时间相对较短（5-20分钟），因此间期的环相对稀疏、短暂且动态。
相比之下，浓缩蛋白II复合体似乎在有丝分裂期间很少或从不解离，因此它们可以挤出更大、更稳定的环。
这也解释了为什么在间期只有部分DNA（约60%）在任何时候被挤出形成环，而到前中期，几乎整个基因组都被挤出并包含在浓缩蛋白环内（图3B）。

Para_07

其次，凝聚素和浓缩素在挤出染色质时与其他复合物和蛋白质相遇的处理方式上有所不同（上文；图4）。
凝聚素在CTCF结合位点处以方向性的方式被阻断，导致在一对收敛的CTCF位点之间形成定位且更稳定的环，这些环可以是细胞类型特异性的。
然而，据我们所知，浓缩素不会被CTCF或其他任何复合物阻断，因此它们不会形成定位的环。
有趣的是，在活细胞的有丝分裂过程中，浓缩素似乎不会在体内相互绕过（图4），从而形成连续而非重叠的环。

Para_08

我们注意到，在间期和有丝分裂期间分别描述的黏连蛋白和凝聚素的明确分离作用，在脊椎动物中并不总是如此清晰。
在果蝇中，凝聚素II在间期参与染色体折叠，而在秀丽隐杆线虫中，凝聚素I有助于间期基因组的折叠。
在芽殖酵母中，黏连蛋白在有丝分裂期间形成环路。

Para_09

第三，细胞类型特异性的亲和力驱动区室化是间期染色体的主要特征，但在有丝分裂染色体中不存在。这一直是个谜，因为与（亚）区室强烈相关的组蛋白修饰模式在整个细胞周期中大部分得以保留。
可能的解释有几个。首先，可能是在间期介导区室域之间亲和力的因素被失活了。一个很好的例子是 HP1 蛋白家族。这些蛋白质可以连接含有 H3K9me3 修饰的位点。在有丝分裂过程中，紧邻 K9 的残基（H3S10）发生磷酸化。携带这两种修饰的组蛋白尾巴，H3K9me3 和 H3S10P，无法被 HP1 蛋白结合。鉴于有丝分裂期间组蛋白尾巴发生大量磷酸化，可能是许多其他桥接因子也无法结合，从而阻止了亲和力驱动的区室化。
另一种或附加的解释来自一项非常最近的研究，该研究显示当细胞在前期停滞时，耗尽凝聚素后观察到某种程度的区室化。这一结果表明，在有丝分裂期间，区室化的因素和机制是活跃的，但不知何故被凝聚素驱动的环阵列形成所压倒，类似于间期中粘连蛋白介导的环挤出对抗区室化的方式。
第四，位点与核周缘、核仁和斑点的连接主导了间期核组织。在有丝分裂过程中，这些结构被拆解，因此基因组变得不再固定，从而可以形成自由的棒状有丝分裂染色体。
第五，在间期，每个染色体内的拓扑缠结很少见，但在有丝分裂期间，单个姐妹染色单体内的自我缠结却很普遍（上文）。
这种差异至少部分可以通过以下事实来解释：有丝分裂期间拓扑异构酶IIa活性很高，这与染色质的浓缩和紧缩状态一起将促使染色体发生自我缠结。
聚合物理论预测，这种拓扑状态的变化将有助于快速压缩，这是在前中期所需的过程。
然而，驱动自我缠结的更活跃过程也可能在起作用。

Long vs. short mitotic chromosomes

长纺锤体染色体与短纺锤体染色体

Para_04

体外实验表明，凝聚素复合体可以绕过较大的物体，包括其他凝聚素复合体。
体内实验显示，在有丝分裂过程中，这种凝聚素之间的绕过现象很少见，至少在脊椎动物中的凝聚素II是这样。
因此，凝聚素II复合体会不断挤压形成环状结构，直到它们相遇并停止，从而形成紧密排列的连续环阵列。
这还严格要求凝聚素II具有双侧挤压活性，正如单分子实验所观察到的那样。
假设凝聚素II不会周转，这些环的大小将由招募到染色质上的凝聚素数量决定。
当许多凝聚素被招募时，环倾向于较小，而有丝分裂染色单体则相对长且窄。
当较少的凝聚素被招募时，环平均会较大，有丝分裂染色单体则较短且宽。
因此，理论上，通过调节凝聚素的招募，可以简单地调控有丝分裂染色体的整体尺寸。

Para_05

有趣的是，不同物种之间的有丝分裂染色体，甚至同一物种但在不同的发育阶段，可以具有非常不同的尺寸。
例如，当比较人类和小鼠细胞的有丝分裂染色体尺寸时，观察到它们在每微米长度的染色体中所包含的DNA量上存在差异。
这种差异与不同的环大小相关：在小鼠细胞中，有丝分裂环显著大于人类细胞（1 Mb对400 kb），这表明在小鼠细胞中每兆碱基招募的凝聚素少于人类细胞。
有趣的是，这种差异可能与小鼠染色体全部为近端着丝粒有关，因此小鼠基因组中最长的染色体臂远长于人类基因组中最长的臂。
通过调节全基因组范围内的凝聚素招募来增加环大小，可能确保即使是最长的染色体也足够短，以便在后期促进它们的分离。

Para_06

在非洲爪蟾发育过程中，似乎也发生了类似的有丝分裂染色体尺寸的适应性缩放。
在早期分裂阶段，细胞非常大，有丝分裂染色体相对较长。
在发育的后期阶段，当细胞小得多时，有丝分裂染色体变得越来越短。
再次，对环大小的分析表明，这种差异是由于早期阶段形成小环，而在后期阶段形成较大环造成的。
凝聚素复合物的差异招募可以解释这一现象。
有趣的是，分化细胞中的染色质上的因子似乎减少了凝聚素的加载。
其中一个因素可能是组蛋白H1.8。
体外重构实验显示，在非洲爪蟾卵提取物中，H1.8的耗尽导致了凝聚素招募增加，染色体变长，环变小。

Para_07

这些例子表明，通过简单调节环挤出因子的招募，相同的环挤出过程可以产生不同尺寸的有丝分裂染色体。
这使得有丝分裂染色体结构具有适应性，以确保染色体臂长度的条件适宜的缩放。

Mitosis vs. meiosis

有丝分裂与减数分裂

Para_04

有丝分裂和减数分裂染色体都折叠成环状阵列，形成棒状紧密的染色单体。
虽然在有丝分裂期间转录停止且隔室变得无法检测到，但在减数分裂前期I期间，转录继续进行，一种形式的区室化仍然存在。
另一个关键的区别是姐妹染色单体相对于彼此的排列方式：在有丝分裂过程中，到中期前期，姐妹染色单体通过凝聚素介导的连接在其环内相连。
显微镜下，这可以从凝聚素复合体位于每个姐妹染色单体质量之间，并远离位于每个染色单体中心环基部的浓缩素复合体这一事实推断出来。
相比之下，在减数分裂前期，姐妹染色单体在环的基部凝聚。
我们最近提出，当活跃挤出的浓缩素跨越保持姐妹染色单体在一起的凝聚素复合体（所谓的凝聚性凝聚素复合体）时，有丝分裂的排列可能会自然形成。
这将导致凝聚性凝聚素被定位在浓缩素介导的环内部。
建模显示，当浓缩素或任何其他环挤出复合体（减数分裂中的可能是凝聚素）无法绕过凝聚性凝聚素时，挤出复合体和凝聚性凝聚素都会定位于环的基部，这种情形可能存在于减数分裂前期。
因此，通过简单地调节绕过凝聚性凝聚素的能力，可以得到有丝分裂或减数分裂的姐妹染色单体排列（图4B）。
与这一提议一致的是，在减数分裂期间，凝聚素在环阵列形成中起重要作用，最近的一项研究表明，（有丝分裂）凝聚素无法绕过凝聚性凝聚素。
CTCF在减数分裂前期仍与染色质结合，也发现在姐妹染色单体的联合轴上，也可能对凝聚素介导的姐妹环排列有所贡献。

Para_05

最后，值得注意的是，在人类细胞有丝分裂的早期前期阶段，姐妹染色单体也在它们的环基处暂时连接。
可能凝聚素最初停滞在粘连复合体上，然后才绕过。
显然，SMC复合体如何在间期、有丝分裂和减数分裂期间解决它们之间的相遇，可以导致宏观尺度上非常不同的染色体构象。
现在已描述了若干这样的相互作用规则，但肯定还有更多的规则有待发现。

Across the tree of life: Prokaryotes vs. eukaryotes

跨越生命之树：原核生物与真核生物

Para_04

尽管细菌核区和真核染色体在大小和构象上看起来非常不同，但折叠这些基因组的过程是相似的。
这些相似性早在几年前就已经被认识并进行了综述。
SMC样复合物通过环状挤压作用于细菌染色体，与真核染色体一样，顺式元件可以决定这些复合物加载的位置以及它们被阻断的位置（综述见Yáñez-Cuna和Koszul）。
例如，在枯草芽孢杆菌中，着丝粒处的ParS位点招募SMC复合物，然后这些复合物开始双向挤压DNA，导致染色体臂的共排列。
在大肠杆菌中，SMC样复合物在每个臂内挤压DNA，从而浓缩核区。
有趣的是，在枯草芽孢杆菌中，通过工程设计的ParS位点排列观察到了复杂的折叠模式，当SMC复合物能够彼此绕过时，这种模式可以得到解释。
这种绕过对于避免在九个天然近端ParS位点加载的SMC之间的交通堵塞至关重要，提供了另一个‘互动规则’的例子，即挤压复合物之间分子相遇的解决可以决定整个基因组的折叠。

Para_05

在细菌中，拓扑特征在染色体折叠中似乎起着比真核生物间期更为重要的作用。
超螺旋会使核区变得紧密，这由转录和复制决定，但也直接由引入正超螺旋的酶（如旋酶）决定。
有趣的是，在 C. crescentus 和 B. subtilis 染色体上观察到了类似 Hi-C 技术中 TADs 的染色体相互作用域（CIDs）。
然而，CIDs 可能在没有 SMC 的情况下形成，作为密集的缠绕阵列，这些阵列在高表达基因处被无缠绕区域隔开。

Para_06

最后，尽管没有观察到传统的区室化，但在细菌中可以发生某种形式的亲和力驱动的位点聚集。
例如，核相关蛋白，如 HU 和 H-NS，可以作为桥接因子，使染色体区域凝聚。

Across the tree of life: More variations of folding mechanisms, and possibly additional mechanisms?

贯穿生命之树：更多样化的折叠机制，以及可能的额外机制？

Para_04

在最近的一项研究中，通过 Hi-C 技术研究了来自生命树不同分支的 24 种真核生物的染色体折叠。
这些生物包括几种脊椎动物纲、动物门、植物和真菌。
描述了两种主要的折叠结构类型：一种类型是以 Rabl 类似的组织形式定义的，具有着丝粒聚集、端粒聚集和/或染色体臂从着丝粒到端粒的对齐；第二种类型缺乏这些特征，但具有染色体领地。
有趣的是，单一因素——凝聚素 II 的存在与否，决定了是形成第一种类型还是第二种类型。
作者提出了一种模型，其中凝聚素 II 在有丝分裂过程中介导全长压缩，这有助于在下一个 G1 期形成染色体领地，同时防止着丝粒和端粒的聚集。
这项研究表明，真核生物全基因组范围内的染色体折叠模式可以通过简单地开启或关闭一个挤压复合体而改变。

Para_05

这些结果表明，在一系列物种中研究染色体折叠对于更好地理解这里讨论的基本染色体折叠机制是有益的。
通过这种方法，我们可以发现这些保守机制可以被调节和实施的更多方式。
可能还会发现基本机制的新变种，例如，额外的 SMC 复合体。
最后，有可能在具有高度分歧染色体构象的物种群中，仍然有待发现的全新的染色体折叠机制。

Para_06

我们设想了两种选择生物群进行此类进化研究的方法。
首先，可以研究那些包含染色体折叠保守机制不同变体的生物群。
一个例子是两个主要的古菌群体，即广古菌和泉古菌。
这些单细胞生物在染色质组织方式上有所不同，最近才使用基于3C的检测方法进行了研究。
有趣的是，这两种古菌群体都表达与SMC相关的蛋白质，这些蛋白质可能在染色体折叠中发挥作用。
在大多数广古菌中，这些复合物显然与凝聚素有关。
令人惊讶的是，泉古菌似乎失去了类似凝聚素的SMC复合物，而是获得了一种称为共凝素的特征不明显的SMC样复合物。
Hi-C研究表明，共凝素在染色体折叠和区室化中发挥作用。
SMC相关复合物可能参与区室化的事实，可能指出了SMC复合物的新作用，这突显了研究分歧物种可以提供发现这些保守机制的新角色或新用途的机会。

Para_07

第二种方法是选择那些染色体构象与其他任何物种组显著不同的物种。例如，甲藻。
甲藻是单细胞真核生物，拥有非常大的基因组（可达数百千兆碱基），它们的大部分基因组不缠绕在组蛋白周围。
宏观上，甲藻的染色体与任何其他组的染色体都非常不同：染色体在整个细胞周期中永久性收缩，且具有表明其中染色质纤维呈液晶排列的光学特性。
最近的 Hi-C 研究显示，染色体由结构域组成，类似于拓扑相关结构域和染色质相互作用域，每个结构域包含一对反向转录的基因阵列。
关于这些生物体中染色体折叠的机制知之甚少。它们表达类似凝聚素和粘连蛋白的复合物，因此可能代表了另一种例子，在这些例子中，进化出了新的方式来利用这些保守的折叠机器。
另一方面，鉴于它们的染色体与其他任何组的染色体如此不同，也有可能在这个谱系中出现了新的染色体折叠机制。

Structure-function relationships

Para_01

高等真核生物染色体的高级折叠与基因组功能相关，例如染色体压缩、分离和转录调控。
然而，尽管付出了巨大努力，证明高级折叠对基因表达具有一致、保守且全基因组范围的影响仍然困难。
这可能是因为染色体折叠的主要功能不是基因调控，而是细胞为了管理长DNA分子，确保它们的复制、压缩、分离和随后的解压。
与此一致，参与染色体压缩的蛋白质，特别是执行环挤出的因子，在所有生物体中似乎是保守的。
我们提出，一旦折叠和解折叠基因组的机制建立起来，这些相同的机制，例如环挤出和亲和力驱动的位点聚集，随后会被用于其他过程的角色，包括远端调控元件对基因的长距离调控等（见下文）。
鉴于这些后者的功能是次要的，可能是临时的，染色体折叠不一定对所有基因的表达调节以及不同生物体中具有一致、保守和全基因组的作用。
染色体折叠过程在基因调控和广义上的表观遗传机制中的作用已经开始在不同的生物系统中显现，但普遍效应仍有待发现。

Functional roles for mitotic chromosome compaction

有丝分裂染色体压缩的功能角色

Para_02

染色体折叠最明显的功能作用与染色体复制和分离有关。
在大型脊椎动物基因组中，位点在S期的不同时间进行复制。
这一现象与染色体折叠有明显的联系：DNA复制时间与区室化密切相关，而当复制时间被破坏或改变时，这可能导致区室化的改变。
复制后，姐妹染色单体会在很大程度上拓扑交织在一起。
这些交织需要解决，以便在后期促进它们的分离。
此外，每个姐妹染色单体需要压缩成有丝分裂染色单体。
在真核生物中，这涉及到主要由凝聚素复合物形成的环阵列（如上所述）。
这些环可能会拓扑交织（即，有丝分裂染色单体可能会自我缠绕）。
这两个过程可能在机械上是相关的，因为顺式环挤出，在拓扑异构酶II酶的存在下，将自动驱动姐妹染色单体在仍由凝聚素复合物保持在一起的情况下解开。
这种复杂的折叠、自我缠绕和姐妹染色单体解开的过程的作用是促进染色体向子细胞的分离。
自我缠绕的功能作用理解较少。
通过单个孤立的有丝分裂染色体的微力学测量表明，人类有丝分裂染色体是自我缠绕的，这些缠绕对染色体的机械刚度有贡献。
这种刚度对于对抗纺锤体力量的染色体分离可能是重要的。

Roles of chromosome folding in controlling gene expression

染色体折叠在控制基因表达中的作用

Para_02

在真核细胞中，基因可以通过位于其启动子上游数百千碱基之外的增强子来调控。
长期以来的一个模型认为，染色体的空间折叠会使增强子与基因启动子形成环状结构，并通过结合在增强子和启动子上的复合物之间的物理相互作用，以及可能通过如中介复合体这样的因子桥接它们，从而激活转录。
还提出了其他机制，例如模型中增强子招募的因子可以沿着染色质长距离移动，以这种方式到达然后激活的目标启动子，而不需要这些元件之间直接的物理相互作用（"追踪模型"）。
在后一种情况下，染色体折叠对于远距离基因调控可能不是关键性的。
现在看来，多种机制可能都在发挥作用。

Para_03

3C技术的最早应用之一是确定基因与其远端调控元件之间是否存在环状相互作用。
在一个非常早期的研究中，发现小鼠β-珠蛋白位点的位点控制区（LCR）仅在该基因表达的细胞类型中与目标β-珠蛋白基因物理接触。
进一步的研究表明，当不同的β-珠蛋白基因在发育过程中变得活跃时，LCR会相应地改变其长距离相互作用。
这个位点仍然是研究基因表达相关的长距离相互作用的最佳例子之一。
为了证明增强子和启动子之间物理相互作用的重要性，研究表明，将远端LCR直接连接到目标基因足以激活该基因。

Para_04

自那时起，许多研究检测到了更多长距离启动子-增强子相互作用，例如，在单个基因研究中对α-珠蛋白位点的研究，在高通量研究中对人类基因组多个靶向区域中的数百个基因的研究（5C），或使用靶向方法进行全基因组分析（Capture-C和ChiaPET）。
从这些研究中可以得出结论，环化模型已经牢固建立。
然而，其他实验路线产生了最初看似与"通过物理接触激活"模型不一致的观察结果，该模型用于基因表达的长距离调控。
首先，基于成像的研究显示，增强子和启动子之间的三维空间距离与基因活化之间没有很好的相关性，无论是在实时活细胞中还是在整个细胞群体中（由Chen等人综述）。
其次，即使在一个拓扑关联域内接触频率增加相对较小（约2到3倍），也会导致转录激活显著增强。
这种接触或接近程度与基因激活之间的缺乏相关性可能看起来与环化接触的机械作用不一致。
其次，即使观察到增强子和启动子在空间上接近，它们之间的距离也相对较大，即300纳米。

Para_05

现在有一些新的见解、实验方法和模型试图将这些观察结果统一起来。
首先，发现转录复合体可以形成直径可达几百纳米的凝聚体，这表明这些凝聚体可能介导增强子和启动子之间的连接。
通过成像，增强子和启动子似乎并未直接接触，但基于3C的实验使用甲醛交联仍可能检测到这些接触作为环状相互作用。

Para_06

其次，已经提出了几种模型来解释增强子-启动子接触频率（通过 Hi-C 和显微镜测量）与目标启动子转录之间缺乏简单相关性的现象。
这些模型的核心思想是，短暂且罕见的增强子-启动子相互作用导致多状态启动子的逐步但累积的变化，只有最终状态才会导致转录。
例如，这些变化可能反映启动子和增强子上的标记积累。
重要的是，这种多状态模型对接触频率显示出S型响应，接触频率的小幅变化会导致转录的大变化。
当达到关键水平的标记时，启动子将变得活跃。
这些多状态启动子模型有待通过高时间和空间分辨率的活细胞动态测量距离和转录的实验验证。

Para_07

增强子如何与目标启动子形成环状结构？一种有吸引力的假设是，凝聚素介导的环状扩展主动将这些元件聚集在一起。
观察到转录元件，如增强子、启动子、绝缘子（CTCF位点）和活跃基因的3′端，在招募、暂停、阻止和卸载凝聚素方面分别发挥作用，这已经表明了转录调控与凝聚素介导的环状扩展之间的联系。
然而，凝聚素的急性耗竭被发现对转录几乎没有立即的影响。
然而，最近的大多数研究显示，在有丝分裂后的细胞中丧失凝聚素活性对细胞和生物体的生理有深远影响，例如神经元成熟和分化以及树突状细胞对先天免疫系统的激活反应。

Para_08

经过多年的矛盾观察，现在关于凝聚素如何在长距离基因调控中发挥作用的观点正在趋于统一（图6）。
在这个观点中，凝聚素可以在随机位置加载，但对顺式作用元件如增强子有一定的偏好性。
这些复合物随后可以挤出环，并通过这一过程到达远端目标启动子。
这可能导致在基于3C的检测中检测到增强子-启动子环。
然而，在此类检测中，这些相互作用显得较弱，表明这些接触要么很少发生，要么非常短暂。
正如上述，重复的短暂相互作用可能足以触发启动子状态的变化，这些变化在多次相互作用后会变得活跃。

图6. 环状挤出、拓扑关联域形成和启动子-增强子相互作用的引导之间的相互作用
增强子可以到达附近的启动子（间隔小于50 kb），并通过亲和力驱动的接触进行互动，而无需环状挤出来促进它们的互动。
当增强子和启动子之间的距离超过50 kb时，凝聚素有助于增强子与启动子之间的接触。
重复的增强子-启动子接触可能是激活基因所必需的（绿色箭头），这导致实时接触与转录之间的相关性降低。
对于长距离的增强子-启动子对：当多个CTCF位点的簇位于它们之间时，它们将阻止环状挤出，诱导TAD边界，并抑制增强子-启动子接触，防止增强子激活基因。
单个CTCF位点可以创建较弱且可渗透的边界，可能不会完全阻止增强子介导的激活，从而导致一定程度的激活（较小的绿色箭头）。
上方：Hi-C图谱。

Para_08

另一个因素是，增强子-启动子通信可能需要与3C基础测定或显微镜捕捉到的接触不同类型的相互作用。
例如，功能通信可能需要分子复合物之间的紧密相互作用，即约5-10纳米的距离，或者长时间的接触，而3C基础测定和显微镜检测的是100-300纳米范围内的接近性。
尚需研究如何将空间上的接近性——无论是凝聚素介导的还是亲和力介导的——转化为功能性通信。
我们注意到，也有可能凝聚素会在顺式方向从增强子移动到启动子，携带在增强子处捕获的转录激活复合物，并将其传递给启动子，这一追踪过程不一定涉及物理上的增强子-启动子相互作用。

Para_09

观察到急性耗尽凝聚素对转录组范围内的转录几乎没有直接影响，现在理解至少部分原因是大多数启动子由位于起始位点附近（<50 kb）的增强子调控。
几项研究现已表明，增强子可以在这种较短的基因组距离内与启动子相互作用，而无需凝聚素的帮助，而凝聚素介导的挤压仅在增强子需要到达距离>50 kb的目标基因时变得重要。
增强子-启动子的相互作用也可能通过基于亲和力的相互作用得到帮助，例如，像区室化一样，而不需要凝聚素。
基于亲和力的相互作用在群体中发生的频率将与其之间的基因组距离成反比。
当它们之间的距离小于50 kb时，染色质纤维的随机动态和构象确保它们足够频繁地相互作用以实现基因激活，而位于更远位置的增强子只有在位点通过挤压主动聚集时才会接触其目标。
增强子-启动子相互作用及由此产生的转录的直接可视化和模型（例如Brückner等人和Chen等人的研究）对于阐明这种挤压介导和空间接触在基因调控中的相互作用至关重要。

Para_10

如果凝聚素帮助增强子到达并激活线性基因组中可能相距数百千碱基的基因，那么特异性是如何控制的？
当 CTCF 结合元件位于基因和增强子之间时，可以阻止增强子对启动子的作用，并以方向依赖的方式阻止环挤出（见上文）。
这导致了模型的提出，即一对收敛的 CTCF 位点形成了结构域的边界。
位于结构域内的增强子会接触同一结构域内的启动子，但与结构域外的启动子的相互作用频率较低（尽管并非完全抑制）。

Para_11

小鼠中的 Hox 位点提供了特别详细和典型的研究案例，展示了 CTCF 边界如何阻止或允许增强子-启动子相互作用（见 Rekaik 和 Duboule 最近的综述）。
这些多个 Hox 基因的簇通过细胞沿后前体轴定位时 CTCF 边界的渐进移动来调控，使得 Hox 基因按其在基因组位点上的位置顺序逐步激活。
另一个例子是原钙黏蛋白簇的调控，其中不同原钙黏蛋白启动子上受调控的随机 CTCF 结合，结合凝聚素介导的环挤出，定义了不同原钙黏蛋白变体在细胞间的表达差异（见 Kiefer 等人的研究及 Canzio 和 Maniatis 的综述）。

Para_12

该模型还预测，域边界的丢失（例如，通过 CTCF 结合位点的缺失导致疾病）将允许形成新的增强子-启动子接触，而在正常细胞中这种情况很少发生。
有许多实例证明了这一预测。
例如，在 T 细胞急性淋巴细胞白血病中，TAL1 和 LMO2 癌基因周围的反复缺失导致 CTCF 结合域边界的丧失。
这些边界缺失使得这些基因暴露于它们通常很少与之相互作用的相邻域中的增强子。
CTCF 结合位点的不适当 DNA 甲基化也可以阻止 CTCF 结合，从而以这种方式阻止域边界的形成。
一个例子是在胃肠道间质瘤中观察到的 DNA 高甲基化。
这导致 CTCF 依赖性域边界的失活和新的增强子-启动子相互作用的形成，包括在 FGF8 位点，进而驱动肿瘤发生。
因此，环挤出可以促进非常长距离的增强子-启动子相互作用，而 CTCF 依赖性的挤出阻断可以通过防止某些相互作用来施加特异性。

Para_13

长距离基因调控显然是复杂的，并由多种过程驱动：在某些情况下，环挤出是关键的，而在其他情况下则不是。
CTCF 可以阻止增强子和启动子之间的长距离相互作用，但有时亲和力驱动的相互作用可以克服这一点。
并非所有结合 CTCF 的位点都以相同的方式作用，这可能取决于附近有多少 CTCF 位点、它们的方向、其他 DNA 结合位点的存在以及其他因素。

Other processes that have co-opted the loop extrusion process

其他已经利用了环状挤出过程的进程

Para_02

环状挤压已被其他更专业的基因组过程所利用。
我们重点介绍一个例子。

Immunoglobulin locus rearrangement

免疫球蛋白位点重排

Para_03

B细胞和T细胞可以表达大量不同的抗原受体分子：B细胞中的抗体和T细胞中的T细胞受体。
这种多样性是由于免疫球蛋白和T细胞受体基因座的重排产生的。
例如，免疫球蛋白H（IgH）基因座由三组基因组成：V、D和J片段。
有13个V片段，4个D片段和113个J片段。
在一个给定的B细胞中，该基因座重组，使得一个V区段被放置在一个D片段旁边，然后选择一个J片段与D片段相邻重组。
这种逐步重组仅发生在一条等位基因上。
因此，一个给定的B细胞将只表达由一个V、D和J片段编码的IgH多肽。
Wood和Tonegawa早在1983年就提出，环状挤出可能在将散布在大约2.5 Mb区域上的V、D和J片段拉近以进行后续重组中起作用。
他们的论点基于所有V、D和J片段的方向相同这一事实。
提出了一个追踪模型，其中复合物沿着基因座移动，将远端基因座聚集在一起以进行后续重组。

Para_04

现在有强有力的证据表明，凝聚素在免疫球蛋白位点重排中起着关键作用。
首先，IgH 重组依赖于凝聚素。凝聚素亚单位的耗尽会抑制 V(D)J 重组。
其次，CTCF 位点遍布整个位点，并且它们以相反的方向出现：整个编码 J 段的位点部分中的 CTCF 位点朝向位点的 3' 端，而位于位点 3' 端的 CTCF 位点则朝向包含 J 段的 5' 端。这种相反的方向强烈预示着凝聚素介导的环挤出作用。
第三，位点大段的倒位会改变段的选择，因为 CTCF 位点的倒位。
第四，删除个别 CTCF 位点或异位插入 CTCF 位点，会以与 CTCF 在阻止环挤出中的作用一致的方式改变相邻段的选择概率。
第五，在 B 细胞中，WAPL 的表达通过 Pax5 介导的 WAPL 基因抑制而减少，这增加了凝聚素在全基因组染色质上的停留时间。因此，凝聚素介导的环可以变得更大，这有助于 IgH 位点所需的远距离环形成，以选择最远端的 J 段进行重组。

Epigenetic memory: A functional role of compartmentalization?

表观遗传记忆：区室化的作用？

Para_02

最近的一项研究提出了一种假设，认为空间隔离和更高的异染色质密度可能是维持抑制性异染色质标记和广泛意义上的"表观遗传记忆"的关键。
由于标记的组蛋白不断丢失并被未标记的组蛋白替换，特别是在复制过程中，组蛋白标记的模式需要通过读写组蛋白甲基转移酶的活动来恢复。
模型显示，这种活动可能导致标记的无控制扩散或完全丧失。
然而，通过使异染色质区域相互吸引而形成的密集且空间隔离的异染色质可以控制这一过程，另一个关键因素是读写酶的有限量。
聚合物模型表明，这种机制可以在维持表观遗传记忆方面自我维持，即，保持最初沉积的标记模式长达数百次细胞分裂。
重要的是，这一机制表明记忆是以间期染色体的空间折叠（隔离和密度）形式以及当染色体重新折叠进入有丝分裂并返回间期时的标记模式形式保存的。
实验性地干扰染色体折叠将测试这一假设。
总体而言，这项研究表明，区室化的一个功能可能是帮助维持表观遗传标记的模式。

Future perspective

Para_01

我们描述了驱动染色体折叠的生物物理和分子机制，以及细胞如何解决它们的染色体折叠问题。
关于这些机制是如何调节的以及它们如何相互影响，仍有许多未解的问题。
未来，我们需要更好地理解区室化过程的分子介质及其在基因组活动中的功能。
环挤出的基本过程在纳米尺度上越来越清晰，但我们才刚刚开始了解这一过程如何与其他机制相互作用，导致微米尺度上的各种染色体构象。
环挤出的调控可能涉及细胞周期依赖性、条件依赖性和物种依赖性的挤出复合物表达，这些复合物的靶向和非靶向招募，以及它们的翻译后修饰。
挤出器之间以及与其他DNA结合复合物之间的相互作用必须频繁发生，这些相互作用如何解决在很大程度上决定了整个染色体的构象。
这些相互作用的规则现在才开始被定义，但它们可能会是理解纳米尺度活动如何导致微米尺度不同折叠的关键。

Para_02

从染色体折叠的研究以及细胞周期中折叠变化的学习中，我们已经了解了很多。
我们预计，通过对生命树上不同生物的研究，将会获得更多的见解，因为不同的生物可能已经进化出了解决染色体折叠问题的额外方案。
一方面，有可能所有物种中的染色体都是由相同的机制折叠的，但这些机制以不同的方式被利用，从而产生外观差异很大的染色体。
在这种情况下，研究不同物种中的染色体折叠将为这些普遍机制提供更深入的见解。
另一方面，也有可能在高度分化的物种中存在完全不同的、有待发现的机制。
未来的50年对于染色体折叠领域来说，将像过去几十年一样令人兴奋。

Acknowledgments

Para_01

我们感谢过去和现在实验室的成员以及我们的许多合作者，他们多年来分享和讨论了想法和成果。
我们目前的研究由国家人类基因组研究所资助（J.D. 的 HG003143；J.D. 和 L.A.M. 的 HG011536），国家普通医学科学研究所（L.A.M. 的 GM 114190），以及国家科学基金会（生命系统物理学拨款 1504942 至 L.A.M.）。
J.D. 是霍华德·休斯医学研究所的研究员。
L.A.M. 是西蒙斯生命科学理论物理研究员。