【DOI】 10.1038/s41588-026-02688-7

【标题】Pioneer transcription factors direct tissue-specific cohesin chromatin entry and three-dimensional genome organization
【发表时间】 2026年7月16日
【单位】 山东大学等多家机构联合研究
【关键词】 先锋转录因子、FOXA1、NIPBL、Cohesin、环挤压、三维基因组、前列腺癌

 

 

 

 

三维基因组结构的动态调控是基因表达调控的基础。Cohesin复合物通过环挤压（Loop extrusion）机制构建染色质环，这一过程在CTCF边界处终止。然而，长期以来的一个关键谜题是：Cohesin究竟是如何在特定的基因组位点开启装载的？虽然CTCF在组织间高度保守，但染色质环具有显著的组织特异性，这暗示存在一种尚未被揭示的选择性装载机制。

该研究发现，Cohesin装载蛋白NIPBL在基因组上的结合具有极强的组织特异性。研究证实，先锋转录因子（Pioneer TF），特别是FOXA1和ETS家族，通过物理相互作用招募NIPBL。FOXA1将NIPBL引向TAD内部，驱动对称的环挤压；而ETS因子则介导NIPBL在TAD边界的富集。特别是在前列腺癌中，FOXA1 R219S突变重定向了NIPBL的装载位置，导致3D基因组结构的病理性重塑，为理解肿瘤中的三维基因组异常重塑提供新的机制解释。

 

 

 

 

研究技术路线

 

 

 

 

关键研究结果

 

一、NIPBL是决定Cohesin装载位置的组织特异性因子

NIPBL作为Cohesin的装载蛋白，其在染色质上的结合模式表现出极强的组织特异性，这与高度保守的架构蛋白CTCF和RAD21形成了鲜明对比。通过对11种细胞系的系统比对发现，NIPBL的共有位点仅占5.7%，这表明NIPBL是决定Cohesin装载位置的组织特异性开关。通过NIPBL和RAD21的相互耗竭实验证实验进一步证明，NIPBL是预定位在染色质上的装载器，其结合不依赖Cohesin，但Cohesin在染色质上的有效装载高度依赖NIPBL。

 

图1.c）展示了11种细胞系间NIPBL结合位点的两两重叠分析。图中极小的黄色扇区直观反映了NIPBL结合图谱在不同组织间的剧烈波动；图1.d）RAD21信号在不同细胞系NIPBL峰处的分布图；图1.e）22Rv1细胞中敲低NIPBL后的RAD21 ChIP-seq信号热图；图1.f）22Rv1细胞中敲低RAD21后的NIPBL信号热图。

 

 

二、先锋因子FOXA1介导NIPBL在特定染色质位点的招募

基序分析显示，NIPBL富集区高度富集Forkhead（如FOXA1）和ETS家族的结合序列。实验证实，FOXA1通过物理相互作用将NIPBL引导至特定的增强子区域。在HepG2和MCF7等细胞中，NIPBL的分布与FOXA1的表达谱严密契合，且两者在细胞核内呈现高度的物理共定位。

 

图2.g）NIPBL结合位点的Motif富集热图。气泡大小代表显著性，颜色代表富集程度，清晰显示了Forkhead（FOXA1家族）和ETS家族基序的组织特异性富集；图2.h）对比MCF7和HepG2细胞的ChIP-seq热图；图2.j & k）内源性与外源性的免疫共沉淀实验。；图2.i）KLK13和AFP基因位点的基因组轨道图。

 

 

 

 

三、FOXA1指导NIPBL介导的双向对称环挤压

利用dTAG快速降解系统，研究发现FOXA1的缺失会直接导致其结合位点处NIPBL和RAD21信号的骤降。空间分布分析显示，FOXA1引导的NIPBL装载位点通常位于TAD的内部区域，且远离CTCF边界。这种定位支持了对称性的双向环挤压，负责构建TAD内部的精细相互作用，从而促进远端增强子与启动子之间的通讯。

 

 

图3.d）FOXA1快速降解前后的ChIP-seq热图对比。降解FOXA1后，NIPBL和RAD21在FOXA1位点的信号显著消失，而CTCF信号屹然不动；图3.g）NIPBL结合位点相对于CTCF位点（上）及在TAD内部分布（下）的密度图；图3.h）聚合交互分析（APA）图谱；图3.e）热图展示了FOXA1降解对不同类型NIPBL峰的影响。

 

 

 

 

四、ETS1家族因子促进NIPBL在TAD边界的非对称装载

除了FOXA1在TAD内部的招募作用，研究还发现ETS家族因子（如ETS1）倾向于将NIPBL引导至TAD边界。由于TAD边界通常预先结合了CTCF蛋白，NIPBL发起的环挤压在边界处会受到单侧阻挡，从而表现为非对称性的单向挤压。这种空间上的分工——FOXA1负责内部功能，ETS1负责边界加固——共同精细刻画了复杂的3D基因组景观。

 

图4.f）FOXA1-NIPBL共有位点与NIPBL特有位点的基序对比。显示NIPBL特有位点高度富集ETS家族基序；图4.i）展示了受CTCF基序方向影响的非对称挤压信号，这种模式主要发生在靠近边界的NIPBL位点；图4.g）TAD边界处的聚合接触图；图4.f）环锚点分布图。对比显示FOXA1影响的环主要位于TAD内部（中心峰），而

 

 

 

 

五、FOXA1 R219S突变通过重定向NIPBL重塑癌症基因组

在侵略性前列腺癌中，复发性的FOXA1 R219S突变改变了先锋因子的结合逻辑。该突变体偏好结合GTAAAG/T/A样非经典基序，改变NIPBL的结合位置，使其更多定位于靠近TAD边界区域。这种结合位置的偏移导致TAD内部调控区域失去部分FOXA1–NIPBL介导的互作，并伴随侵袭性相关转录程序改变。

 

图5.g）WT与R219S突变细胞的ChIP-seq对比。突变体导致NIPBL从原本的FOXA1位点大规模迁移至新的GTAAAD基序位点；图5.h）展示了R219S特异性结合的GTAAAD非规范序列；图5.l）位点间距箱线图。统计显示R219S特异性峰相对于野生型峰，物理位置上显著更靠近CTCF边界；图5.n）突变体位点的APA图谱。显示R219S

 

 

 

 

六、TF-NIPBL协同模式在进化上具有高度保守性

跨物种分析提示TF-NIPBL协同调控模式在多个物种中具有进化保守性。虽然不同物种中起主导作用的TF家族有所演变，但形成了较为保守的“TF定位指导、NIPBL执行装载”的调控模式。在小鼠肝、肺、胃等组织中的进一步验证表明，这种组织特异性的TF-NIPBL轴是脊椎动物实现复杂器官发育和功能分化的核心。

 

图6.a）展示了四种真核生物中NIPBL峰的Motif富集气泡图；图6.c）小鼠肝脏中Foxa1与Nipbl的ChIP-seq热图；图6.f）小鼠三种组织间Foxa1-Nipbl共有峰的维恩图；图6.g-i）BETA分析图表。证明了这些组织特异性的Foxa1-Nipbl结合位点与该组织特有的基因表达程序具有显著的统计相关性。

 

 

 

 

小结

 

该研究补充并拓展了以CTCF为核心的经典3D基因组调控模型，提出了“先锋因子确定装载起点，CTCF确定挤压终点”的层次化调控模型。根据该模型，FOXA1/NIPBL模式通过结合在TAD内部增强子区，开启双向对称挤压以促进远端调控元件通讯；而ETS/bZIP/NIPBL模式则倾向于在TAD边界装载，受CTCF阻挡形成单向挤压从而强化隔室化绝缘。FOXA1 R219S等癌症突变通过改变先锋因子的结合偏好，强行重塑NIPBL的装载图谱并引发全局性3D基因组重连，进而驱动肿瘤恶化。这一研究范式不仅为理解发育和细胞分化提供了空间维度的新线索，也为针对3D基因组异常的精准医疗干预提供了潜在靶点。