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細(xì)胞核內(nèi)DNA完全展開長(zhǎng)達(dá)2米，而一般細(xì)胞核的直徑僅有10-20微米，因此基因組在細(xì)胞核內(nèi)處于高度折疊的狀態(tài)，同時(shí)不斷發(fā)生運(yùn)動(dòng)變化。染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)具有有序性和動(dòng)態(tài)變化性，構(gòu)成細(xì)胞核中各種生物學(xué)過程的全新調(diào)控層次。通過成像和高通量測(cè)序技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)分為染色質(zhì)環(huán)（Loop）、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域（Topologically associating domain，TAD）、A/B區(qū)室（A/B compartment）和染色體領(lǐng)地（Chromosome territory，CT）等多個(gè)層級(jí)。但是，研究者對(duì)于隔離與定位A/B區(qū)室和染色體領(lǐng)地的調(diào)控因子與機(jī)制認(rèn)知較少，同時(shí)對(duì)影響染色質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的因素了解有限，例如染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性尚不清楚。

已有對(duì)染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究結(jié)果提示，細(xì)胞核核膜附近的核纖層區(qū)域?qū)θ旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)維持、相應(yīng)基因表達(dá)調(diào)控均有重要作用。在核膜內(nèi)層，核孔復(fù)合體和跨膜蛋白結(jié)合在由核纖層蛋白組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，共同組成核纖層。核纖層蛋白包括兩類：A型核纖層蛋白（lamin A和lamin C）和B型核纖層蛋白（lamin B1和lamin B2）。近期，已有多個(gè)課題組分別報(bào)道了在擬南芥¹、線蟲早期胚胎²、果蠅細(xì)胞³和小鼠胚胎干細(xì)胞⁴中核纖層蛋白對(duì)染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的影響，這些研究結(jié)果既有共同特征也有差異性，但尚無在人源細(xì)胞中的報(bào)道。

2020年11月7日，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）孫育杰課題組與北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程課題組合作在Protein & Cell雜志上在線發(fā)表了最新研究成果，論文題目為“Nuclear peripheral chromatin-lamin B1 interaction is required for global integrity of chromatin architecture and dynamics in human cells”。作者結(jié)合三維基因組組學(xué)技術(shù)和多種細(xì)胞核內(nèi)標(biāo)記成像技術(shù)，特別是對(duì)活細(xì)胞單染色質(zhì)位點(diǎn)的標(biāo)記追蹤，揭示了在人源細(xì)胞中核纖層蛋白lamin B1對(duì)染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的調(diào)控機(jī)制。

作者首先通過免疫熒光技術(shù)標(biāo)記不同染色質(zhì)緊密狀態(tài)的表觀遺傳修飾⁵，發(fā)現(xiàn)在lamin B1蛋白敲除的人乳腺癌細(xì)胞系中，對(duì)應(yīng)染色質(zhì)松散折疊狀態(tài)的H3K4me2、H3K4me3和H3K27ac修飾整體含量有顯著性增加，而對(duì)應(yīng)緊密折疊狀態(tài)的H3K27me3修飾的核內(nèi)分布由富集于核膜附近變化為分散于核質(zhì)中。作者進(jìn)一步用熒光原位雜交（chromosome painting）標(biāo)記了2號(hào)、18號(hào)和19號(hào)染色體，通過測(cè)量染色體的體積和細(xì)胞核內(nèi)徑向分布，在單條染色體層面驗(yàn)證了lamin B1蛋白敲除對(duì)染色質(zhì)整體的解壓縮和重排布。隨后，作者通過lamin A的ChIP-seq測(cè)序，鑒定了lamin B1敲除細(xì)胞中核纖層關(guān)聯(lián)域（Lamina-associated domain，LAD）的變化。發(fā)現(xiàn)LAD的數(shù)量雖然有所增加，但是其基因組覆蓋度和長(zhǎng)度中位數(shù)均減小，提示部分LAD脫離了核纖層。Hi-C測(cè)序數(shù)據(jù)顯示，敲除lamin B1蛋白導(dǎo)致染色體之間及A/B區(qū)室之間的相互作用增加，表明lamin B1蛋白參與維持染色體領(lǐng)地和A/B區(qū)室的正常隔離。此外，敲除lamin B1蛋白對(duì)TAD的位置和結(jié)構(gòu)無明顯影響。

為進(jìn)一步在活細(xì)胞中研究lamin B1蛋白對(duì)染色質(zhì)的調(diào)控，作者利用CRISPR-SunTag活細(xì)胞單基因位點(diǎn)標(biāo)記技術(shù)⁶，發(fā)現(xiàn)敲除lamin B1蛋白后，不僅使傾向于分布在核膜附近的染色質(zhì)位點(diǎn)分布在核質(zhì)中的比例增加，還會(huì)使染色質(zhì)位點(diǎn)的受限擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加快。作者進(jìn)一步對(duì)染色質(zhì)位點(diǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在野生型細(xì)胞中，同一個(gè)染色質(zhì)位點(diǎn)定位于核膜附近區(qū)域時(shí)的運(yùn)動(dòng)相比定位于核質(zhì)區(qū)域時(shí)的運(yùn)動(dòng)更加受限。而在lamin B1蛋白敲除的細(xì)胞中，同一個(gè)染色質(zhì)位點(diǎn)定位于核質(zhì)區(qū)域時(shí)的運(yùn)動(dòng)相比于在野生型細(xì)胞中定位于核質(zhì)區(qū)域時(shí)的運(yùn)動(dòng)加快，證明lamin B1參與限制核質(zhì)內(nèi)染色質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。作者推測(cè)，受到lamin B1調(diào)控的染色質(zhì)折疊狀態(tài)可能是影響染色質(zhì)運(yùn)動(dòng)的重要因素。為證明這個(gè)猜測(cè)，作者使用去乙?；敢种苿?span style="padding:0px; box-sizing:border-box">TSA處理野生型細(xì)胞，使染色質(zhì)上的乙酰化修飾增加，發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)整體折疊狀態(tài)變得松散，同時(shí)染色質(zhì)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)。最后，作者標(biāo)記了5個(gè)位于A區(qū)室的染色質(zhì)位點(diǎn)和5個(gè)位于B區(qū)室的染色質(zhì)位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)位于B區(qū)室的染色質(zhì)位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)相比位于A區(qū)室的染色質(zhì)位點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受限，證實(shí)了染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，支持了染色質(zhì)空間位置和折疊狀態(tài)對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。

綜合以上結(jié)果，作者提出核纖層蛋白在核膜附近幫助錨定核纖層關(guān)聯(lián)域的染色質(zhì)，從而為染色質(zhì)在核內(nèi)的分布提供牽引力的模型。敲除lamin B1蛋白會(huì)使部分位于核膜附近的染色質(zhì)向核質(zhì)中轉(zhuǎn)移，同時(shí)使染色質(zhì)折疊趨于松散，有更大的自由度，從而運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)范圍增加；染色質(zhì)在核內(nèi)的分布變化和解壓縮影響了染色質(zhì)領(lǐng)地和A/B區(qū)室正常的隔離狀態(tài)，使染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定混亂。同行前期的研究發(fā)現(xiàn)，核質(zhì)中對(duì)染色質(zhì)的作用力可能來自于細(xì)胞核內(nèi)的核骨架蛋白及其相關(guān)蛋白，如HNRNPU⁷等。結(jié)合這些發(fā)現(xiàn)，作者提出了維持染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的“拔河模型”：核纖層蛋白作為邊緣核骨架組分，為染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的維持提供了與核內(nèi)核骨架相反的牽引力，像兩支隊(duì)伍之間的拔河，共同組織和維持染色質(zhì)在細(xì)胞核內(nèi)的正常分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院常蕾博士、生命科學(xué)聯(lián)合中心李夢(mèng)帆博士和生命科學(xué)學(xué)院邵世鵬博士為文章共同第一作者，北京大學(xué)BIOPIC、生命科學(xué)學(xué)院、膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫育杰研究員和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、統(tǒng)計(jì)科學(xué)中心李程研究員為本文的共同通訊作者。北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所何愛彬研究員、北京大學(xué)博士生李晨、艾珊珊博士、薛博鑫博士、博士生侯英萍、張怡文、李瑞風(fēng)博士、生物島實(shí)驗(yàn)室范小英研究員對(duì)本文做出了重要貢獻(xiàn)。

論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s13238-020-00794-8

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