曲靜/劉光慧/張維綺揭示核纖層蛋白“建筑師”通過“內(nèi)外兼修”構(gòu)筑三維基因組結(jié)構(gòu)

編輯丨王多魚

排版丨水成文

人類基因組總長度近 2 米，卻能在直徑僅約 10 微米的細胞核內(nèi)高度有序地折疊，其壓縮尺度相當于將珠穆朗瑪峰高度的復雜模型裝入一枚乒乓球中，這是生命科學中最令人驚嘆的現(xiàn)象之一。基因組的有序性體現(xiàn)在多層次的三維構(gòu)象上，包括大尺度的染色體疆域和 A/B 區(qū)室，以及更小尺度的拓撲相關(guān)結(jié)構(gòu)域（topologically associating domains, TADs）和染色質(zhì)環(huán)（chromatinloops）。單個染色體及其結(jié)構(gòu)域在核內(nèi)的偏好性定位也遵循特定的空間規(guī)律：轉(zhuǎn)錄抑制的異染色質(zhì)通常富集于核周，而轉(zhuǎn)錄活躍的常染色質(zhì)則傾向定位于核內(nèi)。與之相呼應的是，負責轉(zhuǎn)錄激活和 RNA 加工的核斑（nuclear speckle）也通常分布于核內(nèi)。這些精密的空間結(jié)構(gòu)使得細胞能夠在不同發(fā)育階段實現(xiàn)基因表達的精準調(diào)控。因此，闡明基因組空間組織的形成與調(diào)控機制，已成為領(lǐng)域內(nèi)的核心科學問題。

核纖層（nuclear lamina）是緊貼內(nèi)核膜內(nèi)側(cè)的蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主要由核纖層蛋白（lamins）及其結(jié)合蛋白構(gòu)成。在人類中，lamins 分為 A 型（由 LMNA 基因編碼）和 B 型（分別由 LMNB1 和 LMNB2 編碼）。Lamins 在發(fā)育、衰老與疾病過程中扮演關(guān)鍵角色，目前已在LMNA基因中鑒定出超過 600 種致病突變，可導致包括兒童早衰癥和擴張型心肌病在內(nèi)的多種核纖層病（laminopathies）。傳統(tǒng)上，核纖層病的病因被主要歸結(jié)為細胞核機械穩(wěn)定性的下降。與核纖層相互作用的大尺度基因組區(qū)域被稱為核纖層相關(guān)結(jié)構(gòu)域（lamina-associated domains, LADs），盡管LADs 的核周定位被認為依賴于其與核纖層的相互作用，但不同 lamins 成員在此過程中的具體功能分工，以及它們?nèi)绾螀f(xié)同維持正常與病理狀態(tài)下的染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)，仍有待系統(tǒng)闡明。

研究團隊在核纖層疾病領(lǐng)域的探索始于 2011 年。彼時，他們率先利用兒童早衰癥患者的細胞成功構(gòu)建了誘導多能干細胞，發(fā)現(xiàn)表觀遺傳重編程可以逆轉(zhuǎn)細胞核的衰老特征，這為在細胞層面探索“衰老逆轉(zhuǎn)”提供了早期證據(jù)（Nature2011）。隨后，團隊利用第三代腺病毒載體技術(shù)，在患者干細胞中成功實現(xiàn)了對 LMNA 致病突變的精準矯正，這項工作為基于基因編輯的原位治療策略提供了重要的概念驗證（Cell Stem Cell2011）。此后，通過結(jié)合 HDAdV 與 TALEN 技術(shù)，團隊開發(fā)了更安全高效的 telHDAdV 基因編輯系統(tǒng)（Cell Stem Cell2014）。基于這些技術(shù)積累，他們與合作者陸續(xù)創(chuàng)建了攜帶 LMNA 突變的兒童早衰癥胚胎干細胞及非人靈長類疾病模型（Cell2016,Protein Cell2018/2020），并系統(tǒng)揭示了核纖層異常導致多維表觀基因組重塑及古病毒復活的規(guī)律（Dev Cell2022,Cell2023,Cell Reports2023）。這些持續(xù)而系統(tǒng)的前期工作，為本次深入揭示 lamins 在三維基因組中的核心功能奠定了堅實基礎(chǔ)。

基于團隊在核纖層病研究研究領(lǐng)域的多年積累，近日，中國科學院動物研究所曲靜課題組、劉光慧課題組與中國科學院北京基因組研究所張維綺課題組合作，在Cell Reports 期刊發(fā)表了題為：Nuclear-lamin-guided plastic positioning and folding of the human genome的研究論文。

該研究揭示了“基因組積木模型”的幕后搭建者——lamins 在人類干細胞三維基因組結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵角色，首次系統(tǒng)繪制了 lamins 家族缺失下的三維表觀基因組全景圖譜，并證明了 lamins 不僅是基因組–核纖層錨定及大尺度基因組結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵調(diào)控者，還通過與核斑結(jié)構(gòu)蛋白 SON 的相互作用，精確調(diào)控核斑的空間定位與聚集。該研究將核纖層病的病理機制認知從傳統(tǒng)的“細胞核機械性脆弱”模型，推動至“三維基因組組織紊亂導致基因表達失調(diào)”的新范式，為深入理解核纖層病的發(fā)病機制提供了全新視角。

首次系統(tǒng)繪制lamins家族擾動的人類三維表觀基因組圖譜

該研究首次在人正常二倍體細胞中實現(xiàn)了lamins 家族的系統(tǒng)性敲除。在人胚胎干細胞中（hESC），lamins 缺失未顯著影響干細胞穩(wěn)態(tài)；然而，在人間充質(zhì)干細胞中（hMSC），B 型 lamins 缺失導致核膜起泡，而lamin A/C/B1/B2 全敲除（triple knockout, TKO）則引起嚴重的核形變，導致約 70% 的 LAD 脫離核周，甚至改變了染色體的定位偏好，并伴隨細胞增殖能力的顯著下降。研究進一步通過整合多達14 個維度的表觀基因組數(shù)據(jù)，并結(jié)合基因組熒光原位雜交技術(shù)，突破了以往研究多依賴于單一技術(shù)層面的局限，革新了領(lǐng)域內(nèi)對基因組-核纖層錨定模型的認知（圖1）。

圖1：系統(tǒng)繪制lamins家族擾動的三維表觀基因組圖譜

修正人類基因組–核纖層錨定模型

該研究首次根據(jù)基因組對 lamins 的依賴程度，建立了一套全新的基因組–核纖層錨定模型：L1 區(qū)域（富集A/T序列且缺乏經(jīng)典組蛋白修飾）依賴于全部 lamins 的共同錨定，在 TKO 后完全脫離核周；L2 區(qū)域（富集H3K9me3修飾）由 lamins 與 lamin B 受體（lamin B receptor, LBR）共同錨定，僅在 TKO 中進一步敲除 LBR 的條件下才脫離核周；L3 區(qū)域（富集H3K27me3修飾且位于LAD邊界）對 lamins 缺失極為敏感，在單/雙敲除條件下即發(fā)生脫離。進一步分析發(fā)現(xiàn)，不同亞型的 inter-LAD（iLAD）—iL1、iL2 和iL3—在 lamins 缺失后也遵循不同的轉(zhuǎn)變規(guī)律：iL1 區(qū)域（富集啟動子狀態(tài)和轉(zhuǎn)錄活躍的核斑）僅在 TKO 后從核內(nèi)翻轉(zhuǎn)至核周；iL2 區(qū)域（富集增強子狀態(tài)）在 TKO 后仍位于核內(nèi)；iL3 區(qū)域（富集鋅指蛋白基因且位于iLAD邊界）在單/雙敲除條件下即發(fā)生核內(nèi)向核周翻轉(zhuǎn)。這表明 lamins 不僅負責將 LAD 錨定于核周，對于維持特定基因組區(qū)域在核內(nèi)的定位也發(fā)揮著關(guān)鍵作用（圖2）。

圖2：建立lamins依賴的基因組錨定模型

Lamins維持人類大尺度三維基因組結(jié)構(gòu)

研究填補了領(lǐng)域內(nèi)對基因組大尺度空間組織機制的認知空白，提出lamins 是大尺度三維基因組結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組織者，包括染色體疆域、染色質(zhì)區(qū)室互作簇（A–A和B–B）以及跨度達 10 Mb以上的 mega-loops結(jié)構(gòu)。值得注意的是，局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)（如TADs和loops）及其組織因子 CTCF/cohesin 的結(jié)合模式在 lamins 缺失時基本得以保留。這提示可能存在兩種不同的組織原則分別調(diào)控大尺度構(gòu)象（lamins）與局部構(gòu)象（CTCF/cohesin）。研究提出，lamins 作為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)支架，通過限制 LAD 之間的接觸以維持染色體疆域的隔離，并通過維持染色體內(nèi)的長程互作簇來促進染色質(zhì)的壓縮（圖3）。

圖3：Lamins協(xié)同維持大尺度三維基因組結(jié)構(gòu)

核斑組織紊亂及核纖層病的機制見解

研究證實lamin A 與核斑支架蛋白 SON 之間存在相互作用。Lamins 缺失導致核斑和 iL1 富集的核斑結(jié)構(gòu)域（speckle-associated domains, SPADs）從核內(nèi)翻轉(zhuǎn)至核周，其空間聚集也被破壞，這一系列結(jié)構(gòu)變化引發(fā)了全局性轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)。超過 75% 的下調(diào)基因定位于 SPADs，并富集于細胞周期通路，其中生長調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子EGR1 的抑制最為顯著，這直接損害了細胞的增殖能力。該發(fā)現(xiàn)將干細胞功能障礙置于核纖層病發(fā)病機制的核心位置，提示成體干細胞耗竭可能是驅(qū)動組織退化和早衰的關(guān)鍵因素。重新表達野生型lamin A可部分恢復基因組層級結(jié)構(gòu)、核斑分布與轉(zhuǎn)錄水平，而與核纖層病相關(guān)的E161K突變體則廢除了恢復能力。這些結(jié)果不僅揭示了lamins在細胞核空間結(jié)構(gòu)中的多層次調(diào)控作用，更首次直接將“核斑錯誤定位”與“核纖層病”聯(lián)系起來，為闡明lamins功能障礙的致病機制提供了關(guān)鍵的分子解釋（圖4）。

圖4：Lamin A病理突變削弱了基因組結(jié)構(gòu)維持及與SON的結(jié)合能力并伴隨轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)

綜上所述，該研究在 hESC 及其分化來源的 hMSC 中首次構(gòu)建了 lamins 的單、雙、三敲除模型，系統(tǒng)揭示了 lamins 在基因組徑向定位與空間折疊中的核心作用。與 hESC 不同，hMSC 對 lamins 缺失異常敏感，表現(xiàn)出嚴重的核形變及大規(guī)模的空間基因組重構(gòu)。其核心機制在于，lamin A 通過與 SON的相互作用來維持核內(nèi)結(jié)構(gòu)，而致病突變 E161K 則會破壞此過程。該研究的意義不僅限于典型的核纖層病：鑒于細胞衰老普遍伴隨核纖層紊亂，此發(fā)現(xiàn)為理解生理性衰老及防治衰老相關(guān)疾病提供了重要的新線索和潛在靶標。這項工作不僅揭示了核纖層病的潛在機制，更將相關(guān)疾病的病理認知推向了一個統(tǒng)一的“三維基因組紊亂”框架，為未來開發(fā)靶向 lamin-SON 軸的治療策略奠定了理論基礎(chǔ)。

中國科學院動物研究所王澤華博士、季乾昭博士、劉尊鵬博士和博士研究生焦春雨為該研究的并列第一作者。中國科學院動物研究所曲靜研究員、劉光慧研究員和國家生物信息中心（中國科學院北京基因組研究所）張維綺研究員為該研究的共同通訊作者。該研究得到中國科學院深圳先進技術(shù)研究院曹罡教授的指導與支持。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)01300-2