Nat Cell Biol?|?染色質模塊如何決定炎癥反應的速度與強度

撰文 | 阿童木

轉錄因子通過協調基因表達在時間和幅度上的精確變化，使細胞能夠快速而可靠地應對外界刺激。然而，轉錄啟動并非由單一調控事件決定，而是依賴啟動子近端與遠端調控元件上多種轉錄因子的協同作用，其效應高度受局部染色質狀態制約【1】。盡管順式調控元件的功能已被廣泛研究，但這些元件如何在三維基因組中被組織并整合為具有功能意義的調控單元，仍缺乏系統理解。

基于原位交聯測序（如Hi-C）的研究表明，基因組在0.1–1 Mb尺度上被劃分為拓撲關聯域（TADs），為增強子與啟動子的長距離相互作用提供了結構框架【2】。與此同時，顯微成像和體外重構實驗顯示，轉錄因子、共調控因子以及RNA聚合酶II可在特定區域局部富集，形成高濃度的轉錄活性區域【3】。這些發現提示，染色質拓撲結構與轉錄因子集體行為可能在不同空間尺度上共同塑造基因表達程序。

炎癥反應為研究這一問題提供了理想模型。在腫瘤壞死因子（TNF）等細胞因子刺激下，基因表達的啟動速度和誘導強度直接關系到細胞命運。該過程不僅伴隨NF-κB等關鍵轉錄因子的核轉位和活化，還涉及染色質結構的動態重塑，使炎癥應答基因被重新組織進高度活躍的轉錄區域【4】。然而，這種空間重組是否遵循統一規則，仍不清楚。

近日，德國癌癥研究中心 (DKFZ) Karsten Rippe 實驗室等在

Nature Cell Biology

Two distinct chromatin modules regulate proinflammatory gene expression

以人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）為模型， 作者 在TNF處理0、30和240分鐘后， 整合單細胞/單核轉錄組、單核ATAC-seq、H3K27ac ChIP-seq、Hi-C以及單分子RNA原位雜交等多種數據 ，對炎癥應答進行了系統刻畫。通過標注細胞周期，僅選取G1期細胞，顯著降低細胞周期帶來的異質性，確保不同時間點之間具有良好的可比性。

轉錄組分析鑒定出近1500個TNF調控基因，既包括上調也包括下調基因，反映TNF 信號既可激活也可抑制轉錄?；虮磉_熱圖顯示，這些基因在時間上呈現明顯的早期和晚期響應模式。與此同時， TNF誘導的染色質開放 狀態 具有高度特異性 ，僅有一小部分遠端NF-κB結合位點在TNF處理后發生顯著開放，而大多數啟動子在刺激前已處于開放狀態，提示遠端元件在炎癥誘導中發揮關鍵作用。

在空間層面，TNF調控基因（TRGs）在基因組中呈現顯著簇集分布，且簇內基因在單細胞水平上具有更高的共表達傾向。單分子RNA成像進一步驗證了這些基因簇在炎癥刺激下被同步激活，表明基因組鄰近性與轉錄協同密切相關。由此可見 ， TRGs通過基因組簇集實現協調表達，并在炎癥刺激下共表達進一步增強。

為解析背后的調控機制， 作 者基于深度單核ATAC-seq數據開發了 RWireX分析框架 ，用以在單細胞尺度推斷染色質共可及性關系。RWireX采用雙工作流：單細胞流程（RWireX-sc）在均一細胞中從隨機變化鑒定自主共可及性連接（ACs），這些連接代表孤立位點間的瞬時互動，可能需染色質環化實現接觸；元細胞流程（RWireX-meta）聚合相似細胞提高信噪比，在異質群體中鑒定連續共可及性域（DCs），后者顯示域內協調可及性變化，符合轉錄凝集體或轉錄區室的特征。

作者發現 DC的平均尺度遠小于TAD，且常伴隨TAD邊界弱化或跨越。幾乎所有DC在TNF處理后可及性發生變化，其中包含TNF調控基因啟動子的DC多數被顯著激活，并與基因表達水平呈正相關。進一步分析顯示，DC內富集NF-κB、IRF、CEBP、ATF4等炎癥相關轉錄因子的結合活性，免疫染色也證實TNF處理后核內出現NF-κB富集的局部區域。這些結果表明， DC可作為轉錄因子活性增強的空間樞紐 。相比之下， AC更偏向連接單個啟動子與遠端調控元件 ，其與基因表達的相關性整體較弱，但在特定基因位點具有重要作用。AC在時間上的動態變化與基因表達起伏相對應，提示其參與精細而可調的轉錄控制。

基于AC和DC特征， 作者 將TNF調控基因劃分為不同調控類型，并進一步結合轉錄爆發模型分析其表達動力學。結果顯示， DC驅動的基因主要通過增加轉錄爆發的“強度”實現快速而高幅度的誘導，典型于早期、成簇表達的炎癥基因；而AC驅動的基因則更多通過改變爆發“頻率”參與調控，常見于晚期或被抑制的基因。 這表明，炎癥反應的速度與強度并非簡單由轉錄因子數量決定，而是由不同空間調控模塊在動力學層面分工完成。

最后，作者 通過RWireX分析驗證了 AC/DC 框架在其他系統中的適用性。在人外周血免疫細胞和小鼠多種模型中， 作 者也觀察到細胞類型特異的DC和AC分布，且與已知譜系基因和調控因子高度一致，顯示 AC/DC框架具有廣泛適用性 。

綜上所述， 本研究提出了一種以染色質模塊為核心的炎癥轉錄調控模型，揭示炎癥基因并非通過統一機制被激活，而是由功能和動力學特征不同的空間調控單元并行驅動。連續共可及域通過局部轉錄因子富集和爆發強度提升，實現快速而協調的早期響應；分散的共可及連接則通過調節爆發頻率，參與基因特異性的精細調控。該工作將染色質空間組織、轉錄因子行為與轉錄動力學有機整合，為理解復雜應激反應中的基因調控邏輯提供了新的空間視角。

https://doi.org/10.1038/s41556-025-01819-2

制版人： 十一

參考文獻

1. Mahendrawada, L., Warfield, L., Donczew, R. & Hahn, S. Low overlap of transcription factor DNA binding and regulatory targets.Nature642, 796–804 (2025).

2. Jerkovic, I. & Cavalli, G. Understanding 3D genome organization by multidisciplinary methods.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.22, 511–528 (2021).

3. Fukaya, T. Enhancer dynamics: unraveling the mechanism of transcriptional bursting.Sci. Adv.9, eadj3366 (2023).

4. Diermeier, S. et al. TNFα signalling primes chromatin for NF-κB binding and induces rapid and widespread nucleosome repositioning.Genome Biol.15, 536 (2014).

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