DNA loop是什么——Loop结构
学习摸索了很久，在中文网没有找到很理想的带领小白入门三维基因组学的专题内容，因此在学习的过程中想把这写内容记录下来，希望对后来的像我这样的学生能够得到一些帮助。
随着Hi-C等技术的发展，3D基因组学相关研究得以迅速进展。DNA loop作为基因组重要的3D结构单位，是初学者的必须掌握的内容。如果你也对loop感兴趣，关注我，这将会是一个连载！如果你是这个领域内的佼佼者，关注我！欢迎批评指正！
一、DNA loop的结构
从最基础的讲起，顾名思义，loop是环，DNA loop就是DNA环，但它并不是闭环，而是由一种叫做cohesin的蛋白复合物介导的环。其结构如下图：
图1：DNA loop的结构，摘自Topoisomerase II-Induced Chromosome Breakage and Translocation Is Determined by Chromosome Architecture and Transcriptional Activity. Mol Cell.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31202577/
DNA Loop由cohesion蛋白介导(图1绿色)，cohesin能够穿过DNA，与结合在DNA上的CTCF相结合，从而固定住loop结构。这个复合物最终所在的位置又叫做loop anchor。
二、cohesin的结构
而介导loop的Cohesin复合物由4个亚单位组成，分别是两个铰链分子SMC1、SMC3，一个Rad21分子(又称Scc1)和一个STAG分子(又称SA)组成。结构图如下：
图2，cohesion的分子结构
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955067418301662?via%3Dihub#bib0240
两个SMC分子的一端通过其分子内部的球状结构域形成hinge枢纽，另一端头部和Rad21结合，其上再结合一个STAG蛋白，目前有研究表明STAG蛋白能够与CTCF结合以锚定loop。
STAG蛋白有多种亚型，包括STAG1、STAG2和STAG3，其中STAG3在减数分裂中起重要作用。而STAG1被报道在TAD结构域边界与CTCF共同发挥作用，而STAG2在细胞特异性的loop结构中起重要作用。
三、cohesion如何引导loop形成
Tomoko Nishiyama[1]文中指出，cohesion首先需要load到DNA上，对于这一load过程，文章给出了2种假设。如下图所示：
图3：cohesin的载入方式
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955067418301662?via%3Dihub#bib0240
第一种假设：
cohesion复合物结合到DNA以后，打开hinge枢纽以环住DNA，完成load。
第二种假设：
先打开SMC1-Rad21的结合，随后在ATP水解作用下打开SMC1和SMC3的结合，再环住DNA。
不过，cohesin是否作为一个马达驱动DNA loop的挤出还存在争议。2019的一篇science第一次在体外验证了cohesin对loop的挤出作用，在NIPBL-MAU2存在的情况下，单个cohesin复合物能够以一种依赖ATP酶活的方式，形成DNA loop[3]。但是在细胞内部，染色体如何形成loop仍然未知。
四、CTCF与loop结构的关系
CTCF是一类广泛表达的转录因子，对于TAD和loop结构的定位锚定具有重要作用。主要是通过与cohesin上面的STAG蛋白结合对loop进行定位。
而CTCF motif的方向对于loop的形成至关重要。HiC实验证明，大多数loop或TAD边界的CTCF motif对，以一种互相收敛的方向出现，以帮助CTCF二聚体形成，并将两个染色质位点聚集；颠倒CTCF motif的方向则会使得loop消失[5]（图4）。虽然一对向外发散的CTCF motif也能形成loop，但是内敛方向的motif形成的loop更加稳定，并且更多的参与TAD的建立。而向外发散方向的motif则更加动态，并倾向于调控TAD内的转录。
图4：CTCF之于loop结构具有方向性
Li M, Gan J, Sun Y, et al. Architectural proteins for the formation and maintenance of the 3D genome. Sci China Life Sci. 2020;63(6):795-810. doi:10.1007/s11427-019-1613-3
此外，CTCF的结合和功能被证实是依赖于RNA的。敲除CTCF内部的RNA结合结构域，会导致几乎一半的loop消失[4]。
总的来说，cohesin首先导入DNA，随后loop被挤出，随之扩大，直到cohesin遇到了结合在DNA上的CTCF，通过内部的STAG亚单位与CTCF结合在一起，从而将loop结构锚定。
下篇讲一讲loop与genome稳定性的关系。
转载自公众号文章基因组学研究生-Loop是什么。
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声明：本文内图片均引用自文献，仅供学习交流。
[1]Nishiyama T. Cohesion and cohesin-dependent chromatin organization. Curr Opin Cell Biol. 2019;58:8-14. doi:10.1016/j.ceb.2018.11.006
[2]Li M, Gan J, Sun Y, et al. Architectural proteins for the formation and maintenance of the 3D genome. Sci China Life Sci. 2020;63(6):795-810. doi:10.1007/s11427-019-1613-3
[3]Davidson IF, Bauer B, Goetz D, Tang W, Wutz G, Peters JM. DNA loop extrusion by human cohesin. Science. 2019;366(6471):1338-1345. doi:10.1126/science.aaz3418
[4]Saldaña-Meyer, R., Rodriguez-Hernaez, J., Escobar, T., Nishana, M.,Jácome-López, K., Nora, E.P., Bruneau, B.G., Tsirigos, A., FurlanMagaril, M., Skok, J., et al. (2019). RNA interactions are essential forCTCF-mediated genome organization. Mol Cell 76, 412–422.e5.
[5]Guo Y, Xu Q, Canzio D, et al. CRISPR Inversion of CTCF Sites Alters Genome Topology and Enhancer/Promoter Function. Cell. 2015;162(4):900-910. doi:10.1016/j.cell.2015.07.038
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