細胞核內DNA完全展開長達2米，而一般細胞核的直徑僅有10—20微米，因此基因組在細胞核內處于高度折疊的狀態(tài)，同時不斷發(fā)生運動變化。染色質的三維結構具有有序性和動態(tài)變化性，構成細胞核中各種生物學過程的全新調控層次。通過成像和高通量測序技術，研究者發(fā)現(xiàn)染色質高級結構分為染色質環(huán)（Loop）、拓撲關聯(lián)域（Topologically associating domain，TAD）、A/B區(qū)室（A/B compartment）和染色體領地（Chromosome territory，CT）等多個層級。但是，研究者對于隔離與定位A/B區(qū)室和染色體領地的調控因子與機制認知較少，同時對影響染色質運動狀態(tài)的因素了解有限，例如染色質高級結構與運動狀態(tài)的關聯(lián)性尚不清楚。

已有對染色質高級結構和運動狀態(tài)的研究結果提示，細胞核核膜附近的核纖層區(qū)域對染色質的結構和運動狀態(tài)維持、相應基因表達調控均有重要作用。在核膜內層，核孔復合體和跨膜蛋白結合在由核纖層蛋白組成的網(wǎng)狀結構上，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（laminB1和lamin B2）。近期，已有多個課題組分別報道了在擬南芥^1、線蟲早期胚胎^2、果蠅細胞³和小鼠胚胎干細胞⁴中核纖層蛋白對染色質高級結構的影響，這些研究結果既有共同特征也有差異性，但尚無在人源細胞中的報道。

2020年11月7日，北京大學生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）孫育杰課題組與北京大學生命科學學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 B1interaction is required for global integrityof chromatin architecture and dynamicsin human cells”。作者結合三維基因組組學技術和多種細胞核內標記成像技術，特別是對活細胞單染色質位點的標記追蹤，揭示了在人源細胞中核纖層蛋白laminB1對染色質高級結構及運動狀態(tài)的調控機制。

作者首先通過免疫熒光技術標記不同染色質緊密狀態(tài)的表觀遺傳修飾⁵，發(fā)現(xiàn)在laminB1蛋白敲除的人乳腺癌細胞系中，對應染色質松散折疊狀態(tài)的H3K4me2、H3K4me3和H3K27ac修飾整體含量有顯著性增加，而對應緊密折疊狀態(tài)的H3K27me3修飾的核內分布由富集于核膜附近變化為分散于核質中。作者進一步用熒光原位雜交（chromosomepainting）標記了2號、18號和19號染色體，通過測量染色體的體積和細胞核內徑向分布，在單條染色體層面驗證了laminB1蛋白敲除對染色質整體的解壓縮和重排布。隨后，作者通過laminA的ChIP-seq測序，鑒定了lamin B1敲除細胞中核纖層關聯(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度中位數(shù)均減小，提示部分LAD脫離了核纖層。Hi-C測序數(shù)據(jù)顯示，敲除lamin B1蛋白導致染色體之間及A/B區(qū)室之間的相互作用增加，表明laminB1蛋白參與維持染色體領地和A/B區(qū)室的正常隔離。此外，敲除lamin B1蛋白對TAD的位置和結構無明顯影響。

為進一步在活細胞中研究laminB1蛋白對染色質的調控，作者利用CRISPR-SunTag活細胞單基因位點標記技術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位點分布在核質中的比例增加，還會使染色質位點的受限擴散運動加快。作者進一步對染色質位點運動數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)在野生型細胞中，同一個染色質位點定位于核膜附近區(qū)域時的運動相比定位于核質區(qū)域時的運動更加受限（圖1）。而在lamin B1蛋白敲除的細胞中，同一個染色質位點定位于核質區(qū)域時的運動相比于在野生型細胞中定位于核質區(qū)域時的運動加快，證明lamin B1參與限制核質內染色質的運動（圖1）。作者推測，受到lamin B1調控的染色質折疊狀態(tài)可能是影響染色質運動的重要因素。為證明這個猜測，作者使用去乙?；敢种苿㏕SA處理野生型細胞，使染色質上的乙?；揎椩黾?，發(fā)現(xiàn)染色質整體折疊狀態(tài)變得松散，同時染色質運動增強。最后，作者標記了5個位于A區(qū)室的染色質位點和5個位于B區(qū)室的染色質位點，發(fā)現(xiàn)位于B區(qū)室的染色質位點的運動相比位于A區(qū)室的染色質位點運動受限，證實了染色質高級結構與運動狀態(tài)的關聯(lián)，支持了染色質空間位置和折疊狀態(tài)對其運動狀態(tài)的影響。

圖1：同一染色質位點在相同時間內的運動軌跡

綜合以上結果，作者提出核纖層蛋白在核膜附近幫助錨定核纖層關聯(lián)域的染色質，從而為染色質在核內的分布提供牽引力的模型。敲除lamin B1蛋白會使部分位于核膜附近的染色質向核質中轉移，同時使染色質折疊趨于松散，有更大的自由度，從而運動速度和運動范圍增加；染色質在核內的分布變化和解壓縮影響了染色質領地和A/B區(qū)室正常的隔離狀態(tài)，使染色質高級結構發(fā)生一定混亂。同行前期的研究發(fā)現(xiàn)，核質中對染色質的作用力可能來自于細胞核內的核骨架蛋白及其相關蛋白，如HNRNPU⁷等。結合這些發(fā)現(xiàn)，作者提出了維持染色質空間結構的“拔河模型”（圖2）：核纖層蛋白作為邊緣核骨架組分，為染色質高級結構的維持提供了與核內核骨架相反的牽引力，像兩支隊伍之間的拔河，共同組織和維持染色質在細胞核內的正常分布和運動狀態(tài)。

圖2：拔河模型

北京大學生命科學學院常蕾博士、生命科學聯(lián)合中心李夢帆博士和生命科學學院邵世鵬博士為文章共同第一作者，北京大學BIOPIC、生命科學學院、膜生物學國家重點實驗室孫育杰研究員和北京大學生命科學學院、統(tǒng)計科學中心李程研究員為本文的共同通訊作者。北京大學分子醫(yī)學研究所何愛彬研究員、北京大學博士生李晨、艾珊珊博士、薛博鑫博士、博士生侯英萍、張怡文、李瑞風博士、生物島實驗室范小英研究員對本文作出了重要貢獻。

1.Hu, B. et al. Plant lamin-like proteins mediate chromatin tethering at the nuclear periphery. Genome Biol.20, doi:10.1186/S13059-019-1694-3（2019）.

2.Sawh, A. N. et al. Lamina-Dependent Stretching and Unconventional Chromosome Compartments in Early C. elegans Embryos. Mol. Cell 78, doi:10.1016/J.MOLCEL.2020.02.006 （2020）.

3.Ulianov, S. V. et al. Nuclear lamina integrity is required for proper spatial organization of chromatin in Drosophila. nature communications 10, doi:10.1038/S41467-019-09185-Y （2019）.

4.Zheng, X. et al. Lamins Organize the Global Three-Dimensional Genome from the Nuclear Periphery. Mol. Cell 71, 802-815 e807, doi:10.1016/j.molcel.2018.05.017 （2018）.

5.Boettiger, A. N. et al. Super-resolution imaging reveals distinct chromatin folding for different epigenetic states. Nature529, 418-422, doi:10.1038/nature16496 （2016）.

6.Tanenbaum, M. E., Gilbert, L. A., Qi, L. S., Weissman, J. S. & Vale, R. D. A protein-tagging system for signal amplification in gene expression and fluorescence imaging. Cell159, 635-646, doi:10.1016/j.cell.2014.09.039 （2014）.

7.Fan, H. et al. The nuclear matrix protein HNRNPU maintains 3D genome architecture globally in mouse hepatocytes. Genome Res.28, 192-202, doi:10.1101/gr.224576.117（2018）.

來源：北京大學新聞網(wǎng)