CTCF-dependent 3D chromatin structure controls STAT5-mediated transcription in CD4+ T cells

Abstract

To ensure proper gene expression in cellular processes, the role of enhancers influencing gene expression through long-range interactions is crucial, in addition to proteins acting at the promoter. CTCF is known as a protein that plays a key role in the 3D chromatin structure. However, the mechanism by which CTCF regulates gene expression remains controversial. Here, I demonstrate that CTCF has the ability to regulate the transcription of targets through enhancer-promoter interactions in CD4+ T cells. Remarkably, the CTCF depletion in CD4+ T cells unveils the functional significance of the critical master regulator, STAT5. STAT5-bound super-enhancers contribute to maintaining enhancer loops robustly in a CTCF-independent manner. Additionally, the deep involvement of enhancer loop formation in the pause-release of RNA pol II is observed. In contrast, the altered enhancer loop structure orchestrated by CTCF has an impact on the accurate expression of genes defining cellular identity. CTCF influences the strength of enhancer loops and, furthermore, is a crucial factor in regulating the Pol II pausing mechanism in the transcription process of target promoters. In a nutshell, my study provides mechanistic insights into how the JAK/STAT signaling pathway remains intact during CD4+ T cell activation, and even in such conditions, the impact CTCF can have on cell identity genes through rewiring the enhancer network. This finding offers a comprehensive perspective on the intricate functions of CTCF in promoting appropriate gene expression in immune cells.

세포가 정상적으로 기능하는 데 있어서 적절한 유전자 발현을 보장하기 위해서는 프로모터에서 작용하는 단백질뿐만 아니라, 장거리 상호작용을 통해 유전자 발현에 영향을 주는 인핸서의 역할이 중요하다. CCCTC-binding factor (CTCF)는 3차원 크로마틴 구조에서 핵심적인 역할을 하는 단백질로 잘 알려져 있다. 그러나 CTCF가 유전자 발현을 어떻게 조절하는지에 대한 메커니즘과 그 중요성에 대해서는 여전히 논란이 존재한다. 여기서 나는 CTCF가 CD4 T 세포에서 인핸서-프로모터 상호작용을 통해 표적유전자의 전사를 조절하는 능력을 가지고 있다는 것을 보였다. 특히, CTCF의 감소를 통해 CD4 T 세포의 특성을 대표하는 전사인자인 STAT5의 기능적 중요성이 조명되었다. STAT5가 관여한 슈퍼 인핸서는 CTCF에 독립적으로 인핸서 고리를 견고하게 유지하는 데 기여한다. 또한, 인핸서 고리 형성이 리보핵산 중합효소의 전사 정지-해제에 깊게 관여하는 것이 관찰되었다. 그러나 CTCF에 의해 변화한 인핸서 고리 구조는 세포 정체성을 정의하는 유전자의 발현까지도 영향을 미칠 수 있다. CTCF는 인핸서 고리의 강도에 영향을 주며, 더 나아가 표적유전자의 프로모터에서 일어나는 전사과정에서 리보핵산 중합효소의 전사 정지 기작을 조절하는 중요한 요소가 된다. 정리하면, 본 연구는 활성화된 CD4 T 세포에서 세포 특이적인 JAK/STAT 신호전달 경로가 유지되는 방식과, 이러한 상황에서도 CTCF가 인핸서 네트워크를 재구성하여 세포 정체성 유전자에 미칠 수 있는 영향에 대한 통찰력을 제공한다. 또한 이 결과는 면역 세포에서 적절한 유전자 발현을 촉진하는 과정에서 고려해야 하는 CTCF의 복잡한 기능에 대한 종합적인 관점을 제공하는데 의의가 있다.