點評|高紹榮（中國科學院院士）、李勁松（中國科學院院士）、裴端卿（西湖大學）、阮一俊（浙江大學）、王強（華南理工大學）

中國傳統(tǒng)神話”牛郎織女”的故事家喻戶曉，牛郎織女相會，依賴于眾多喜鵲搭起的鵲橋。在基因組中也有類似的現(xiàn)象，增強子與其遠端靶基因的啟動子形成增強子-啟動子(enhancer-promoter, E-P)互作，同樣依賴于結(jié)合在互作的E-P上的不同類型蛋白（丁俊軍團隊將此類染色質(zhì)互作上多種類型蛋白共同構(gòu)成的多分子組裝命名為Looposome）。然而，究竟是哪些蛋白(喜鵲)組成Looposome(鵲橋)以介導特異的E-P互作(牛郎-織女相會)？目前還沒有任何技術(shù)能夠系統(tǒng)鑒定。

2025年12月16日，中山大學丁俊軍團隊在Nature Genetics上發(fā)表研究論文JMJD2 regulates enhancer-promoter interactions via biomolecular condensate formation，開發(fā)了可鑒定特定染色質(zhì)互作上蛋白組分（Looposome）的技術(shù)——LoopID。作為目前唯一的基于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)組學方法，LoopID技術(shù)基于細胞內(nèi)真實發(fā)生的染色質(zhì)折疊，為解析特定染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)如何被介導、如何發(fā)揮功能提供了全新的工具。

LoopID技術(shù)基于split-TurboID鄰近標記系統(tǒng)，將臨近標記酶TurboID拆分成C端和N端兩個片段，這兩個片段單獨存在時都沒有臨近標記活性。將TurboID酶的這兩個片段分別由SadCas9與SpdCas9靶向至增強子和啟動子區(qū)域，則僅當兩個染色質(zhì)位點在三維空間中充分接近并發(fā)生特異性相互作用時，兩個TurboID片段才能重構(gòu)為具有完整活性的TurboID酶，從而實現(xiàn)對互作位點局部蛋白質(zhì)組的特異性生物素標記和富集分析鑒定（圖1）。

圖1. LoopID鑒定特定染色質(zhì)相互作用上的蛋白質(zhì)組

研究團隊將該技術(shù)應用于小鼠胚胎干細胞(ESC)中核心多能性基因Nanog與Oct4的增強子-啟動子相互作用（E-P互作）位點，研究團隊觀察到一個有趣的現(xiàn)象：比起已知結(jié)合增強子和啟動子的轉(zhuǎn)錄因子，表觀調(diào)控因子在E-P互作上有更高程度、更大比例的富集。研究團隊選取E-P互作上富集程度最高的表觀調(diào)控因子之一——組蛋白去甲基化酶JMJD2蛋白進行深入研究。結(jié)果表明，無論是在多能性基因E-P互作的維持上，還是在多能性細胞向全能性細胞重編程過程中全能性E-P互作的建立上，JMJD2蛋白都能以形成生物分子凝聚體的形式介導E-P互作。而且，更重要的是，JMJD2蛋白發(fā)揮介導E-P互作的功能可以不依賴于它們對組蛋白修飾的調(diào)控（圖2）。這是首次報道的表觀調(diào)控因子在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控中的非酶活功能。

圖2. 組蛋白去甲基化酶JMJD2形成生物分子凝聚體，以酶活非依賴的方式介導E-P互作

基于上述機制，研究團隊開發(fā)了一套基于凝聚體構(gòu)建特定E-P互作的化學誘導系統(tǒng)。該系統(tǒng)不需要持續(xù)性的誘導，就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的E-P互作構(gòu)建。研究團隊將該系統(tǒng)應用于ESC向2-cell-like cell (2CLC)轉(zhuǎn)變、多能性維持、體細胞重編程為誘導多能干細胞(iPSC)，證明操控局部染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)可以調(diào)控細胞命運（圖3）。

圖3. 工程化構(gòu)建E-P互作操控細胞命運

本研究為基因組中的“鵲橋相會”提供了分子層面的注解：通過LoopID技術(shù)鑒定Looposome組分，不僅給筑起“染色質(zhì)鵲橋”的“喜鵲”以姓名，更發(fā)現(xiàn)了表觀調(diào)控因子在其中新穎的搭橋方式（凝聚體形式的酶活非依賴機制）。進一步，本研究提出并驗證了“人工鵲橋”策略，得以在染色質(zhì)中“設計相會”，實現(xiàn)E-P互作和相應的基因表達激活，最終“金風玉露一相逢，便引得細胞命運轉(zhuǎn)變”。

牛郎（增強子）與織女（啟動子）通過鵲橋（增強子-啟動子互作蛋白組）相會

中山大學中山醫(yī)學院姜少帥、劉心儀、章主恒及楊明珠為本文的共同第一作者。中山大學丁俊軍教授、四川大學華西二院肖雪教授、南方醫(yī)科大學深圳眼科醫(yī)院遲瑋教授、徐州醫(yī)科大學白津教授等為論文的通訊作者。該研究得到了中山大學王繼廠教授，華中師范大學王亮教授，清華大學劉磊教授及其實驗室艾華松（現(xiàn)上海交通大學PI）的指導及大力支持。

專家點評

高紹榮 （中國科學院院士，同濟大學）

染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)是基因表達時空調(diào)控的關(guān)鍵基礎，其中增強子-啟動子（E-P）互作對細胞特異性轉(zhuǎn)錄程序的建立及細胞命運決定至關(guān)重要。然而，目前領(lǐng)域內(nèi)對介導特定E-P互作的蛋白及其調(diào)控機制仍缺乏系統(tǒng)性理解。

近日，中山大學丁俊軍團隊在Nature Genetics上發(fā)表了重要研究成果“JMJD2 regulates enhancer–promoter interactions via biomolecular condensate formation”。該研究針對上述科學問題，開發(fā)了基于染色質(zhì)互作的蛋白組學技術(shù)LoopID，實現(xiàn)系統(tǒng)鑒定特定E-P互作位點的蛋白質(zhì)復合物—Looposome，并發(fā)現(xiàn)Looposome中大量富集表觀調(diào)控因子。以往的研究主要聚焦于表觀調(diào)控因子通過擦除或讀寫表觀修飾調(diào)控基因表達，而表觀調(diào)控因子是否通過介導染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)調(diào)控基因表達，以及機制上是否與修飾因子的催化功能有關(guān)，還研究較少。

該研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白去甲基化酶JMJD2在Looposome中高度富集，進一步的機制研究發(fā)現(xiàn)JMJD2通過其內(nèi)在無序區(qū)（IDR）形成凝聚體，以不依賴其組蛋白去甲基化酶活性的方式調(diào)控E-P互作。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的表觀新機制，還豐富了表觀調(diào)控因子的非經(jīng)典模式的作用場景。此外，在調(diào)控細胞命運決定方面，研究還發(fā)現(xiàn)，在胚胎干細胞中JMJD2凝聚體介導細胞類型特異性E-P互作具有劑量依賴性：在生理水平下主要維持干細胞多能性相關(guān)E-P互作，維持干細胞多能性狀態(tài)。而增強JMJD2凝聚體，則可誘導2-cell期特異性基因的E-P互作，促進胚胎干細胞向2-cell-like cells（2CLCs）的轉(zhuǎn)變。基于此機制，研究團隊進一步實現(xiàn)了在特定基因組位點人工招募JMJD2凝聚體，工程化從頭構(gòu)建并維持目標E-P互作，激活相關(guān)基因表達，進而調(diào)控胚胎干細胞向2CLCs的轉(zhuǎn)變，提供了一種新的通過操縱染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)調(diào)控細胞命運轉(zhuǎn)變的新策略。

總之，該研究建立了一種鑒定染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組的新技術(shù)，基于該技術(shù)發(fā)現(xiàn)、并闡明了一種由表觀調(diào)控因子相分離凝聚體介導的、不依賴于經(jīng)典酶活性的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)調(diào)控新機制，為理解表觀遺傳因子如何通過三維基因組結(jié)構(gòu)調(diào)控基因表達，進而決定細胞命運提供了新視角。

專家點評

李勁松（中國科學院院士，中科院生化與細胞生物研究所）

干細胞研究一直是發(fā)育生物學與再生醫(yī)學領(lǐng)域的核心熱點。全能性干細胞的成功獲取與維持，不僅是發(fā)育生物學的“璀璨明珠”，更是體外解析早期胚胎發(fā)育的關(guān)鍵研究模型。然而，長期以來，全能性干細胞的研究始終受困于：穩(wěn)定傳代的困難、發(fā)育潛能低等關(guān)鍵瓶頸。阻礙了其基礎研究價值與轉(zhuǎn)化應用潛力。因此，深入闡明干細胞全能性的調(diào)控機制，對推動基礎研究及再生醫(yī)學的臨床轉(zhuǎn)化具有重要的理論意義與深遠的實踐價值。

近日，中山大學丁俊軍團隊在Nature Genetics上發(fā)表的突破性成果，為這一難題提供了全新的解答思路。該研究開發(fā)了基于染色質(zhì)互作的蛋白質(zhì)組學新技術(shù)“LoopID”，發(fā)現(xiàn)組蛋白去甲基化酶JMJD2并不限于其經(jīng)典的酶學活性，而是能夠通過形成相分離凝聚體介導干細胞的增強子-啟動子互作，且呈現(xiàn)劑量依賴性的調(diào)控干細胞多能性和全能性增強子-啟動子互作。在多能干細胞中增強JMJD2凝聚體，可促進Zscan4等全能性基因的增強子-啟動子互作，提高2-cell like cells（2CLCs）的發(fā)育潛能，提示干細胞的發(fā)育潛能可能通過由生物大分子凝聚體介導的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)組織進行調(diào)控。

不止于機制層面的突破，該研究對干細胞發(fā)育異質(zhì)性概念上同樣具有重要啟示意義。以往通過化合物小分子誘導2CLCs的重編程盡管能夠獲得較高的誘導效率，但在分選并連續(xù)傳代培養(yǎng)后，MERVL?細胞難以長期穩(wěn)定維持，其比例會不斷下降。此外，從單個2CLCs生成嵌合胚胎的效率較低，這表明MERVL? 2CLCs 的發(fā)育潛能存在較強的異質(zhì)性。丁俊軍團隊進一步發(fā)現(xiàn)，在過表達能夠形成凝聚體的JMJD2的MERVL? 細胞中，2-cell特異性基因的表達水平高于過表達不能形成凝聚體的JMJD2對照細胞，提示JMJD2凝聚體在調(diào)控2CLCs發(fā)育潛能異質(zhì)性方面可能起重要作用。進一步考慮到 JMJD2 凝聚體在調(diào)控增強子–啟動子互作中的功能，這種發(fā)育潛能的異質(zhì)性可能與染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，通過調(diào)控生物大分子凝聚體及染色質(zhì)組織結(jié)構(gòu)，有望在實驗條件下提高干細胞的發(fā)育潛能，并可能推廣應用于其他物種（如人類和猴）。

總的來說，丁俊軍團隊的這項研究不僅系統(tǒng)揭示了JMJD2凝聚體在干細胞多能性與全能性調(diào)控中的全新機理，也為其他表觀遺傳修飾酶的非經(jīng)典酶學活性研究提供了新的思路。未來，可聚焦于干細胞命運轉(zhuǎn)變過程中JMJD2凝聚體組分的動態(tài)組裝機制，探究其如何響應細胞內(nèi)外信號，實現(xiàn)對不同譜系特異性增強子-啟動相互作的精準調(diào)控。

專家點評

裴端卿（西湖大學）

染色質(zhì)的三維動態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了細胞身份編碼與命運轉(zhuǎn)換的“空間密碼”，其中增強子與啟動子之間的特異性互作（E-P互作）是調(diào)控基因表達、決定細胞命運的關(guān)鍵樞紐。長期以來，E-P互作的特異性調(diào)控機制一直是領(lǐng)域內(nèi)的重要科學問題，如何在活細胞中原位鑒定特定E-P互作的蛋白組成，更是解析這一機制的關(guān)鍵瓶頸。

丁俊軍團隊及其合作者在《自然·遺傳學》上發(fā)表的這項研究，系統(tǒng)回應了上述挑戰(zhàn)。他們發(fā)展的LoopID技術(shù)，巧妙地將CRISPR-dCas9定位策略與split-TurboID鄰近標記技術(shù)相結(jié)合，如同在染色質(zhì)互作環(huán)上安裝了一臺“分子望遠鏡”。該技術(shù)通過將標記系統(tǒng)精準錨定于特定E-P互作環(huán)的兩端，首次實現(xiàn)了在活細胞中原位、高特異性地捕獲并鑒定互作錨點處的蛋白質(zhì)復合物（looposome）。這一方法學創(chuàng)新不僅標志著該領(lǐng)域從繪制互作“圖譜”到解析互作“橋梁”具體組成的重要跨越，更為后續(xù)探索不同細胞狀態(tài)下E-P互作的動態(tài)調(diào)控機制提供了強大工具。值得一提的是，當前研究將LoopID成功應用于超級增強子-啟動子互作的鑒定，展現(xiàn)了該技術(shù)的穩(wěn)健性與創(chuàng)新性。若能進一步驗證其在典型增強子互作中的適用性，將更全面地展現(xiàn)其分辨力與普適價值。

借助這一工具，團隊揭示了組蛋白去甲基化酶JMJD2在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控中具有不依賴其經(jīng)典酶活功能的全新機制。研究發(fā)現(xiàn)JMJD2能夠通過液-液相分離形成生物分子凝聚體，進而直接調(diào)控并維持特定的E-P互作。尤為重要的是，這種調(diào)控作用在JMJD2催化活性缺失的情況下依然存在，提示其作為“結(jié)構(gòu)性因子”參與染色質(zhì)空間組織的非經(jīng)典功能。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了對表觀遺傳因子功能譜的認知，也為理解細胞命運轉(zhuǎn)換提供了新的分子邏輯。在此基礎上，研究進一步實現(xiàn)了從機制解析到工程應用的跨越——通過人工招募并組裝JMJD2凝聚體至特定基因組位點，成功實現(xiàn)了對目標E-P互作的“從頭構(gòu)建”，并能以此有效驅(qū)動細胞定向重編程。這為基于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)編輯的細胞命運工程開辟了全新的技術(shù)路徑。

總體而言，這項研究通過方法創(chuàng)新與機制探索，系統(tǒng)揭示了表觀遺傳因子通過相分離調(diào)控基因組三維結(jié)構(gòu)的新范式，并展示了基于該機制進行細胞命運精準調(diào)控的潛力。其重要意義不僅在于提供了一項強大的研究工具和關(guān)鍵科學發(fā)現(xiàn)，更在于開辟了新的研究方向——系統(tǒng)探索表觀調(diào)控因子的非經(jīng)典功能及其在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)組織與細胞命運決定中的作用。這項工作提示我們，未來對細胞身份的解讀與重塑需要更加重視三維基因組的“結(jié)構(gòu)邏輯”，這也將為發(fā)育調(diào)控、疾病機制研究與干預策略提供新的視角與可能。

專家點評

阮一駿（浙江大學）

The authors investigated the transcriptional looping mechanism between enhancer and promoter (E-P) mediated by JMJD2 via a newly developed proteomics-based method to identify chromatin loop structure (LoopID). This approach is capable of identifying the protein components at chromatin looping anchors and enabled the first comprehensive survey of proteins at chromatin anchors of transcriptional looping, providing critical insights into the molecular mechanisms that shape and maintain E–P interactions. Owing to its robustness, LoopID is particularly powerful for uncovering chromatin structural regulators within specific cell types or biological contexts. As increasing evidence implicates aberrant chromatin organization in developmental abnormalities and human diseases, LoopID offers a unique approach to map the chromatin structure–associated proteins involved in pathogenic reorganizations.

Using LoopID, the authors in this study found that JMJD2 can mediate E-P interactions through its own phase-separated property, independent of its catalytic activity. This discovery introduced a new concept that the catalytic-independent function of epigenetic modifiers in transcriptional regulation can be mediated through modulating chromatin structure, rather than solely through its interactions with other transcriptional regulatory factors.

The authors succussed in establishing cell type-specific E-P interactions through constructing condensates of JMJD2 at specific genomic loci. This strategy enables cellular reprogramming into pluripotent or totipotent-like stem cells and holds promise for controlling E-P interaction-related cell fate decisions during both physiological and pathological processes.

Together, the authors in this study providedtechnological innovation(LoopID: chromatin-loop–resolved proteomics), suggestedmechanisticinsight(catalytic-independent regulation of chromatin architecture by JMJD2 condensates), and proposed novelfunctionalimplication(controllable cell fate transition via condensate-based chromatin looping). These discoveries collectively advanced our understanding of 3D genome regulation, epigenetic mechanisms, and stem cell biology.

專家點評

王強（華南理工大學）

打開基因組折疊的“黑匣子”：丁俊軍團隊開發(fā)LoopID揭示表觀修飾因子的非酶活結(jié)構(gòu)功能

在真核生物的細胞核內(nèi)，基因組的三維空間折疊——特別是增強子與啟動子（E-P）的相互作用，是決定細胞命運的關(guān)鍵“開關(guān)”。然而，長期以來，科學家們雖然能通過Hi-C等技術(shù)“看到”這些環(huán)（Loop）的存在，卻難以精準捕捉到究竟是什么蛋白質(zhì)復合物（即 “Looposome”）在維持這些特定的空間結(jié)構(gòu)。這些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)分子如同隱匿在一個未被開啟的 “黑匣子” 中，其組成與機制長期以來不為人知。

近日，中山大學丁俊軍教授團隊在Nature Genetics 發(fā)表的突破性成果，成功拿到了開啟這個匣子的鑰匙。該研究開發(fā)了名為 LoopID 的創(chuàng)新技術(shù)，并借此挑戰(zhàn)了表觀遺傳領(lǐng)域的傳統(tǒng)認知，揭示了組蛋白修飾酶在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控中的全新角色：（1）技術(shù)破壁：LoopID——打開染色質(zhì)環(huán)互作蛋白的“黑匣子”。針對上述難題，研究團隊開發(fā)的LoopID技術(shù)巧妙利用了CRISPR系統(tǒng)的精準導向功能與分割式鄰近標記酶（Split-TurboID）的條件性重組特性，構(gòu)建了一套依賴于染色質(zhì)三維構(gòu)象的“分子感應開關(guān)”。該系統(tǒng)使得只有當增強子與啟動子在空間上發(fā)生物理接觸形成“環(huán)”時，生物素連接酶才會重組并激活。這一設計極大地降低了背景噪音，首次實現(xiàn)了對特定E-P互作錨點處蛋白復合物的高信噪比捕獲。LoopID的問世，填補了從“染色質(zhì)結(jié)構(gòu)”到“分子組成”之間的方法學空白，為解析三維基因組的調(diào)控機制提供了精準的解碼工具。（2）機制重塑：表觀修飾因子的“跨界”——非酶活依賴的結(jié)構(gòu)建筑師。當研究團隊利用LoopID打開這個“黑匣子”后，意外發(fā)現(xiàn)組蛋白去甲基化酶JMJD2是E-P環(huán)上的核心成員。顛覆傳統(tǒng)認知的是，JMJD2在此處并非行使其經(jīng)典的“去甲基化”（Eraser）功能，而是通過其無序區(qū)（IDR）發(fā)生液-液相分離，形成生物大分子凝聚體。這些凝聚體像膠水一樣粘合了增強子和啟動子。這一發(fā)現(xiàn)揭示了表觀遺傳修飾因子在調(diào)控染色質(zhì)構(gòu)象時的“非酶活”功能（Catalytic-independent function），為理解表觀因子如何兼具表觀修飾“擦除者”與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)“建筑師”的雙重身份提供了全新視角。（3）應用突破：人工構(gòu)建相分離，重編程細胞命運。更令人振奮的是，研究團隊不僅解釋了現(xiàn)象，更掌握了操控這套機制的鑰匙。他們通過在特定基因組位點人工招募JMJD2凝聚體，成功在不依賴酶活性的情況下，從頭建立了特定基因的E-P連接。這種“E-P工程”策略成功激活了全能性相關(guān)基因，將小鼠胚胎干細胞誘導至類似二細胞期的全能性狀態(tài)（2CLC）。這不僅證明了相分離驅(qū)動的染色質(zhì)環(huán)在細胞命運決定中的因果作用，也為再生醫(yī)學和細胞重編程提供了全新的精準操控手段。

綜上所述，丁俊軍團隊的這項工作在技術(shù)開發(fā)、機制解析和合成生物學應用三個維度上均取得了重要突破，是三維基因組學與表觀遺傳學交叉領(lǐng)域的里程碑式成果。

丁俊軍教授是中山大學教育部干細胞與組織工程重點實驗室獨立PI，研究工作主要集中在胚胎干細胞、早期胚胎發(fā)育及乳腺癌的表觀遺傳、染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)和相分離調(diào)控機制。丁俊軍課題組長期招聘副教授、博士后，也招收博士生、碩士生等，方向為：生物信息學、干細胞、乳腺癌、分子生物學、細胞生物學等，工作地點可以是廣州或者成都。有意加入Dinglab團隊，請與丁老師直接聯(lián)系：stemcellding@163.com，課題組網(wǎng)頁：https://zssom.sysu.edu.cn/stemcellding/

https://www.nature.com/articles/s41588-025-02415-8

學術(shù)合作組織

（*排名不分先后）

戰(zhàn)略合作伙伴

（*排名不分先后）

轉(zhuǎn)載須知

【非原創(chuàng)文章】本文著作權(quán)歸文章作者所有，歡迎個人轉(zhuǎn)發(fā)分享，未經(jīng)作者的允許禁止轉(zhuǎn)載，作者擁有所有法定權(quán)利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推薦

點擊主頁推薦活動

關(guān)注更多最新活動！