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

編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

人類(lèi)基因組總長(zhǎng)度近 2 米，卻能在直徑僅約 10 微米的細(xì)胞核內(nèi)高度有序地折疊，其壓縮尺度相當(dāng)于將珠穆朗瑪峰高度的復(fù)雜模型裝入一枚乒乓球中，這是生命科學(xué)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?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（topologically associating domains, TADs）和染色質(zhì)環(huán)（chromatinloops）。單個(gè)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(yīng)的是，負(fù)責(zé)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(xì)胞能夠在不同發(fā)育階段實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的精準(zhǔn)調(diào)控。因此，闡明基因組空間組織的形成與調(diào)控機(jī)制，已成為領(lǐng)域內(nèi)的核心科學(xué)問(wèn)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(lèi)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(guò)程中扮演關(guān)鍵角色，目前已在LMNA基因中鑒定出超過(guò) 600 種致病突變，可導(dǎo)致包括兒童早衰癥和擴(kuò)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?dú)w結(jié)為細(xì)胞核機(jī)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(chēng)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(rèn)為依賴(lài)于其與核纖層的相互作用，但不同 lamins 成員在此過(guò)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(jí)結(jié)構(gòu)，仍有待系統(tǒng)闡明。

研究團(tuán)隊(duì)在核纖層疾病領(lǐng)域的探索始于 2011 年。彼時(shí)，他們率先利用兒童早衰癥患者的細(xì)胞成功構(gòu)建了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)表觀遺傳重編程可以逆轉(zhuǎn)細(xì)胞核的衰老特征，這為在細(xì)胞層面探索“衰老逆轉(zhuǎn)”提供了早期證據(jù)（Nature2011）。隨后，團(tuán)隊(duì)利用第三代腺病毒載體技術(shù)，在患者干細(xì)胞中成功實(shí)現(xiàn)了對(duì) LMNA 致病突變的精準(zhǔn)矯正，這項(xiàng)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(yàn)證（Cell Stem Cell2011）。此后，通過(guò)結(jié)合 HDAdV 與 TALEN 技術(shù)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(xì)胞及非人靈長(zhǎng)類(lèi)疾病模型（Cell2016,Protein Cell2018/2020），并系統(tǒng)揭示了核纖層異常導(dǎo)致多維表觀基因組重塑及古病毒復(fù)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

基于團(tuán)隊(duì)在核纖層病研究研究領(lǐng)域的多年積累，近日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所曲靜課題組、劉光慧課題組與中國(guó)科學(xué)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(lèi)干細(xì)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(guò)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(jī)制認(rèn)知從傳統(tǒng)的“細(xì)胞核機(jī)械性脆弱”模型，推動(dòng)至“三維基因組組織紊亂導(dǎo)致基因表達(dá)失調(diào)”的新范式，為深入理解核纖層病的發(fā)病機(jī)制提供了全新視角。

首次系統(tǒng)繪制lamins家族擾動(dòng)的人類(lèi)三維表觀基因組圖譜

該研究首次在人正常二倍體細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)了lamins 家族的系統(tǒng)性敲除。在人胚胎干細(xì)胞中（hESC），lamins 缺失未顯著影響干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)；然而，在人間充質(zhì)干細(xì)胞中（hMSC），B 型 lamins 缺失導(dǎo)致核膜起泡，而lamin A/C/B1/B2 全敲除（triple knockout, TKO）則引起嚴(yán)重的核形變，導(dǎo)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(xì)胞增殖能力的顯著下降。研究進(jìn)一步通過(guò)整合多達(dá)14 個(gè)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(lài)于單一技術(shù)層面的局限，革新了領(lǐng)域內(nèi)對(duì)基因組-核纖層錨定模型的認(rèn)知（圖1）。

圖1：系統(tǒng)繪制lamins家族擾動(dòng)的三維表觀基因組圖譜

修正人類(lèi)基因組–核纖層錨定模型

該研究首次根據(jù)基因組對(duì) lamins 的依賴(lài)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(lài)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(jìn)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(duì) lamins 缺失極為敏感，在單/雙敲除條件下即發(fā)生脫離。進(jìn)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(dòng)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(qiáng)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(fù)責(zé)將 LAD 錨定于核周，對(duì)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(lài)的基因組錨定模型

Lamins維持人類(lèi)大尺度三維基因組結(jié)構(gòu)

研究填補(bǔ)了領(lǐng)域內(nèi)對(duì)基因組大尺度空間組織機(jī)制的認(rèn)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(dá) 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(shí)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(guò)限制 LAD 之間的接觸以維持染色體疆域的隔離，并通過(guò)維持染色體內(nèi)的長(zhǎng)程互作簇來(lái)促進(jìn)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(jī)制見(jiàn)解

研究證實(shí)lamin A 與核斑支架蛋白 SON 之間存在相互作用。Lamins 缺失導(dǎo)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(guò) 75% 的下調(diào)基因定位于 SPADs，并富集于細(xì)胞周期通路，其中生長(zhǎng)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子EGR1 的抑制最為顯著，這直接損害了細(xì)胞的增殖能力。該發(fā)現(xiàn)將干細(xì)胞功能障礙置于核纖層病發(fā)病機(jī)制的核心位置，提示成體干細(xì)胞耗竭可能是驅(qū)動(dòng)組織退化和早衰的關(guān)鍵因素。重新表達(dá)野生型lamin A可部分恢復(fù)基因組層級(jí)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(fù)能力。這些結(jié)果不僅揭示了lamins在細(xì)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(cuò)誤定位”與“核纖層病”聯(lián)系起來(lái)，為闡明lamins功能障礙的致病機(jī)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(lái)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(duì) lamins 缺失異常敏感，表現(xiàn)出嚴(yán)重的核形變及大規(guī)模的空間基因組重構(gòu)。其核心機(jī)制在于，lamin A 通過(guò)與 SON的相互作用來(lái)維持核內(nèi)結(jié)構(gòu)，而致病突變 E161K 則會(huì)破壞此過(guò)程。該研究的意義不僅限于典型的核纖層病：鑒于細(xì)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(biāo)。這項(xiàng)工作不僅揭示了核纖層病的潛在機(jī)制，更將相關(guān)疾病的病理認(rèn)知推向了一個(gè)統(tǒng)一的“三維基因組紊亂”框架，為未來(lái)開(kāi)發(fā)靶向 lamin-SON 軸的治療策略奠定了理論基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)院動(dòng)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(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所曲靜研究員、劉光慧研究員和國(guó)家生物信息中心（中國(guó)科學(xué)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(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院曹罡教授的指導(dǎo)與支持。

論文鏈接：

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