5月2日，pLoS Genetics 期刊在线发表了中国科学院上海生命科学研究院严军研究组题为Long-range chromosome interactions mediated by cohesin shape circadian gene expression 的论文。该项研究揭示了昼夜节律生物钟基因的转录是建立在染色质高级结构的基础上，而粘合素（cohesin）通过介导染色质长程相互作用，扮演着两面性的角色，或激活或阻断节律基因的调控。该研究首次阐释了粘合素在昼夜节律基因转录调控中的作用。

“日出而作，日落而息”，昼夜节律是自然界中普遍存在的一种生理现象，是通常以24小时为周期的生物钟，对人类健康有着重要意义。昼夜节律产生的分子基础是核心节律基因的周期性表达，在小鼠肝脏中约20个核心节律基因组成相互调控网络，进而引起下游上千个基因的节律表达。

近年研究发现，细胞间期的染色体存在高级结构，线性距离上较远甚至不在同一条染色体上的两个位点之间也有可能有物理接触，这样的长程相互作用由一些染色体结构性蛋白介导，其中最重要的是粘合素和CCCTC结合因子（CTCF）。染色体高级结构对基因转录有重要影响，而其对节律基因表达的影响仍然知之甚少。

首先，严军研究组利用环化染色体构象捕捉测序技术从全基因组水平探测了一个节律增强子结合位点处的相互作用，发现作用位点处富集有已知的粘合素介导的结合位点。其次，通过整合分析顺式原件组学和时间序列上的转录组学数据，发现粘合素单独结合的位点促进节律基因的表达，而粘合素和CTCF共同结合位点阻断节律基因的表达。再次，对这两种效应建立了一个量化的数学模型（如图），能很好地解释节律基因的相位特征。最后，利用粘合素敲除的细胞系，并通过DNA编辑的方法去除增强子结合的区段，配合点对点的染色体构象捕捉实验，验证了粘合素对节律基因表达的调控作用。这项工作提出节律基因的转录是建立在一个相对稳定的三维染色体结构上的，这样的骨架决定了节律基因是否受到增强子的调控，这是同时对转录活动的时间特性和空间特性的描述，由此深化了对节律基因转录调控的认识。

这项工作主要在中科院-马普学会计算生物学研究所完成。在研究员严军的指导下，主要由徐一驰等人完成，与军事医学科学院赵志虎研究组合作，受到中科院-德国马普学会青年科学家小组、中国科学院战略性先导科技专项经费和国家自然科学基金等项目的支持。

染色体高级结构影响节律基因表达示意图，Bmal1为节律转录因子，COG为节律基因，粘合素单独结合的位点介导增强子和启动子的相互作用，促进节律基因的表达；粘合素和CTCF共同结合位点阻断增强子的调控。背景为数学模型，其中节律基因受到的调控潜力随着它和转录因子结合位点距离的增加成指数递减，而考虑粘合素和CTCF时，调控潜力将进一步被激活或者阻断。

原文摘要：

Long-Range Chromosome Interactions Mediated by Cohesin Shape Circadian Gene Expression

Mammalian circadian rhythm is established by the negative feedback loops consisting of a set of clock genes, which lead to the circadian expression of thousands of downstream genes in vivo. As genome-wide transcription is organized under the high-order chromosome structure, it is largely uncharted how circadian gene expression is influenced by chromosome architecture. We focus on the function of chromatin structure proteins cohesin as well as CTCF (CCCTC-binding factor) in circadian rhythm. Using circular chromosome conformation capture sequencing, we systematically examined the interacting loci of a Bmal1-bound super-enhancer upstream of a clock gene Nr1d1 in mouse liver. These interactions are largely stable in the circadian cycle and cohesin binding sites are enriched in the interactome. Global analysis showed that cohesin-CTCF co-binding sites tend to insulate the phases of circadian oscillating genes while cohesin-non-CTCF sites are associated with high circadian rhythmicity of transcription. A model integrating the effects of cohesin and CTCF markedly improved the mechanistic understanding of circadian gene expression. Further experiments in cohesin knockout cells demonstrated that cohesin is required at least in part for driving the circadian gene expression by facilitating the enhancer-promoter looping. This study provided a novel insight into the relationship between circadian transcriptome and the high-order chromosome structure.