在真核生物中，基因组以层次化的方式折叠在细胞核内，形成包括染色体领域、核隔区、拓扑结构域、染色质环等多层次的 3D 结构。
这种复杂的三维结构制约着基因与其调控元件之间的远程通信，这对细胞分化和动物发育至关重要。近年的研究表明，基因组 3D 结构的破坏会导致基因的表达紊乱，从而导致癌症等疾病的发生[1,2]。
在美国哈佛医学院麻省总医院和美国拉荷亚免疫研究所的科学家们的一项新的研究中，他们阐明了淋巴细胞转录因子 IKAROS 如何帮助基因组折叠成 B 细胞发育分化所需的正确结构，从而指导 B 细胞谱系发育并生成多样性的抗体库[3]。
该论文第一作者、哈佛大学医学院麻省总医院博士表示，研究发现 IKAROS 通过组织淋巴细胞特异性的调控元件之间的远程相互作用，来调控基因表达。
他继续说道：“并且，证明基于 IKAROS 的增强子连接对淋巴细胞基因组的拓扑结构域的融合、亚结构域的建立和核隔区的形成，具有重要的组织者作用。该发现对研究其他细胞的谱系发育，以及癌症的发生机制具有指导意义。”
哈佛大学博士和拉荷亚免疫研究所硕士研究生丹妮拉·萨尔加多·菲格罗阿（Daniela Salgado Figueroa）为共同第一作者，拉荷亚免疫研究所富塔赫·艾（）副教授和哈佛大学凯蒂娅·乔治波洛斯（）教授担任共同通讯作者。
IKAROS 是造血系统特有的转录因子，其在淋巴细胞发育过程中发挥根源性作用，促使造血干细胞分化为包括 B 细胞在内的多种免疫细胞。IKAROS 的基因突变多发于高危急性 B 细胞癌，使突变体细胞获得抗药性，导致不良预后。
此前的研究表明，IKAROS 通过控制细胞特异性的增强子，一方面促进 B 细胞的发育分化，另一方面限制了 B 细胞向上皮细胞和干细胞的转化潜能[4,5]。
基于基因增强子远程调控基因表达的特征，他们推测 IKAROS 可能通过控制基因调控元件之间的远程物理连接来发挥功能，并以此影响更高级别的基因组 3D 结构。
为了验证这一猜想，建立了 B 细胞发育阶段特异性的基因敲除小鼠模型、前体 B 细胞体外诱导基因敲除、体外分化模型，以及人上皮细胞异位诱导基因表达模型。
并且，在此基础上开展了系统的多组学和基因组 3D 结构分析等试验。
他们与拉荷亚免疫研究所的生物信息学团队合作，使用多种计算和统计方法系统地分析了前体 B 细胞基因组的 3D 结构，以及 IKAROS 对这种结构的影响。
他们发现，IKAROS 结合于淋巴细胞特异性的、主要基于增强子的染色质环的锚点上，并以此建立了淋巴细胞谱系特征的染色质远程空间连接。
一方面，这些染色质调控连接在空间结构上促进并约束着当前发育阶段的基因表达；另一方面，还为谱系发育将来阶段的基因表达提供了所需的空间结构。
同时，细胞谱系早前发育阶段的部分 3D 结构也被 IKAROS 所保持。在 IKAROS 缺失以后，这些染色质相互作用会迅速消失，从而导致基因的表达紊乱和发育阻滞。
“这是国际上首次阐明转录因子直接参与创建预设，以及守护基因组 3D 结构的方式来控制细胞谱系发育，为其他细胞谱系的发育与限制机制提出了一个重要范例。”表示。
一方面，增强子环的建立与解构可以领先于增强子上组蛋白修饰的变化而发生；另一方面，结构连接的变化也不依赖于染色质上 CTCF 的变化，而主要与融合蛋白（Cohesion）的加载有关。该发现对理解基因组的动态调控机制具有重要意义。
此外，已有的研究表明， CTCF 通常存在于基因组拓扑结构域的边界，并对跨结构域的染色质相互作用具有绝缘作用。
该研究发现，相对于其他类型的相互作用，基于增强子的染色质相互作用可以更有效地克服 CTCF 的绝缘作用（即通导作用），而 IKAROS 的存在可以有效增强这种通导作用，从而可以将相邻的基因组拓扑结构域连接起来，融合成淋巴细胞特异性的“超级结构域”。
除了促进结构域之间的融合，该研究还发现， IKAROS 还可以在细胞特异性的增强子上加载 Cohesin 蛋白，通过其介导的染色质环推进过程来促进 CTCF 位点之间形成结构连接，从而形成淋巴细胞特异性的亚结构域。
指出，“这是在国际上第一次提出细胞谱系特异性的超级结构域和亚结构域的形成机制，是基因组 3D 结构调控领域的重要进展。”
研究人员进一步发现，IKAROS 介导的增强子连接可以跨越多个细胞核隔区来介导超远距离的染色质相互作用。
通过这种远程相互作用，IKAROS 可以将分散的染色质区域组织在一起，使其共同处于活跃的细胞核隔区。研究人员提出以相性分离为基础的机制模型，来解释这一现象。
B 细胞的主要功能是产生多样性的抗体来实现体液免疫，而抗体多样性的产生依赖于免疫蛋白基因簇的基因重组。该团队发现 IKAROS 介导的多层次的 3D 结构在抗体轻链的重组过程中，发挥着至关重要的作用。
在前体 B 细胞中，大量基于 IKAROS 的增强子远程连接将抗体轻链基因簇的多个基础结构域连接、融合形成了一个高度有序的超级结构域，并使分布于 3.2 兆碱基对距离上的上百个抗体可变区基因片段共同处于活跃的细胞核隔区。
因此，众多可变区基因片段可以克服基因组线性距离上的限制，在三维空间上同等机会的靠近重组中心，来参与抗体轻链的基因重组，从而产生多样性的抗体库。该研究阐明了抗体轻链基因重组的主要三维空间组织机制，对体液免疫学的研究具有重要意义。
为了进一步验证 IKAROS 的基因组 3D 结构组织者作用，该课题组在人类表皮细胞中诱导表达了小鼠的 IKAROS 基因，并分析了 IKAROS 表达前后基因组的 3D 结构。
结果表明，IKAROS 在人的表皮细胞中的表达，导致其基因组在多个层面上发生了基于 IKAROS 增强子连接的 3D 结构重塑，并在包括人抗体轻链调控区域在内的众多位置上建立了淋巴细胞特征的基因组 3D 结构。
总体来说，该研究是免疫学和基因组 3D 结构调控领域的重要进展，系统阐明了转录因子 IKAROS 在淋巴细胞谱系发育中的 3D 结构组织者作用，揭示了抗体轻链基因重组的三维空间组织机制，并在国际上首次提出了细胞谱系特异性的基因组超级结构域和亚结构域的形成机制。
参考资料：
运营/排版：何晨龙
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