拓扑异构酶介导的负DNA超螺旋消解维持人类转录与基因激活

转录会产生能够影响基因表达的DNA超螺旋，但转录相关超螺旋如何塑造人细胞中RNA聚合酶II（RNAPII）的动态特征，仍未得到充分理解。在此，我们表明，拓扑异构酶介导的DNA负超螺旋消解是实现有效转录所必需的。急性扰动拓扑异构酶会导致负超螺旋在转录起始位点（TSS）周围积累，且负超螺旋积累越多，转录降低幅度越大。延伸中的RNAPII后方负超螺旋水平升高与RNAPII延伸速率降低相关，而其前方的正超螺旋则不存在这种关联。利用NOTE-seq2在单细胞中同步分析新生RNA和总RNA，我们进一步证明，急性耗竭TOP1会通过同时降低转录爆发的大小和频率，增加基因表达噪声。从机制上看，TSS处负超螺旋的积累会增加RNAPII在启动子上的占据及启动子近端暂停，从而为转录爆发大小降低提供了潜在解释。Micro-C分析显示，TOP1耗竭在很大程度上保留了染色质区室和拓扑关联域（TAD），但削弱了短程染色质环，包括增强子—启动子相互作用，这可能促成转录爆发频率降低。最后，在T细胞激活过程中，负超螺旋消解受损会阻碍基因的快速上调，并削弱转录激活程序。综上，这些发现确立了拓扑异构酶介导的DNA负超螺旋消解是连接DNA拓扑稳态、RNAPII动态、染色质环化与快速基因激活的关键机制。

转录会产生能够影响基因表达的 DNA 超螺旋，但转录相关的超螺旋如何塑造人类细胞中 RNA 聚合酶 II（RNAPII）的动态特征，仍知之甚少。在本研究中，我们发现，拓扑异构酶介导的 DNA 负超螺旋消解是实现有效转录所必需的。急性扰动拓扑异构酶会导致负超螺旋在转录起始位点（TSS）周围积累，且负超螺旋积累越多，转录降低幅度越大。延伸中的 RNAPII 后方负超螺旋水平升高与 RNAPII 延伸速率降低相关，而其前方的正超螺旋则不存在这种关联。利用 NOTE-seq2 同时分析单细胞中新合成 RNA 和总 RNA，我们进一步证明，急性耗竭 TOP1 会同时降低转录爆发的规模和频率，从而增加基因表达噪声。从机制上看，TSS 处负超螺旋的积累会增加 RNAPII 在启动子处的占据以及启动子近端暂停，为转录爆发规模降低提供了潜在基础。Micro-C 分析显示，TOP1 耗竭在很大程度上保留了染色质区室和拓扑相关结构域（TAD），但削弱了短程染色质环，包括增强子—启动子相互作用，这可能促成转录爆发频率降低。最后，在 T 细胞活化过程中，负超螺旋消解受损会妨碍基因的快速上调，并减弱转录激活程序。综上，这些发现确立了拓扑异构酶介导的 DNA 负超螺旋消解是连接 DNA 拓扑稳态、RNAPII 动态、染色质环化与基因快速激活的关键机制。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.30.755832v1?rss=1

🏷️ DNA负超螺旋 拓扑异构酶 RNA聚合酶II转录 转录爆发 基因激活 染色质环化