子科生物報道：細胞核內(nèi)DNA*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(nèi)處于高度折疊的狀態(tài)，同時不斷發(fā)生運動變化。染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)具有有序性和動態(tài)變化性，構(gòu)成細胞核中各種生物學過程的全新調(diào)控層次。通過成像和高通量測序技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)分為染色質(zhì)環(huán)（Loop）、拓撲關(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）等多個層級。但是，研究者對于隔離與定位A/B區(qū)室和染色體領(lǐng)地的調(diào)控因子與機制認知較少，同時對影響染色質(zhì)運動狀態(tài)的因素了解有限，例如染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)與運動狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性尚不清楚。

已有對染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)的研究結(jié)果提示，細胞核核膜附近的核纖層區(qū)域?qū)θ旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)維持、相應(yīng)基因表達調(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(zhì)高級結(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zui xin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)合三維基因組組學技術(shù)和多種細胞核內(nèi)標記成像技術(shù)，特別是對活細胞單染色質(zhì)位點的標記追蹤，揭示了在人源細胞中核纖層蛋白lamin B1對染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)及運動狀態(tài)的調(diào)控機制。

作者首先通過免疫熒光技術(shù)標記不同染色質(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胞系中，對應(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。作者進一步用熒光原位雜交（chromosome painting）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(nèi)徑向分布，在單條染色體層面驗證了lamin B1蛋白敲除對染色質(zhì)整體的解壓縮和重排布。隨后，作者通過lamin A的ChIP-seq測序，鑒定了lamin B1敲除細胞中核纖層關(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(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TAD的位置和結(jié)構(gòu)無明顯影響。

為進一步在活細胞中研究lamin B1蛋白對染色質(zhì)的調(diào)控，作者利用CRISPR-SunTag活細胞單基因位點標記技術(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)位點分布在核質(zhì)中的比例增加，還會使染色質(zhì)位點的受限擴散運動加快。作者進一步對染色質(zhì)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(zhì)位點定位于核膜附近區(qū)域時的運動相比定位于核質(zhì)區(qū)域時的運動更加受限。而在lamin B1蛋白敲除的細胞中，同一個染色質(zhì)位點定位于核質(zhì)區(qū)域時的運動相比于在野生型細胞中定位于核質(zhì)區(qū)域時的運動加快，證明lamin B1參與限制核質(zhì)內(nèi)染色質(zhì)的運動。作者推測，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)運動的重要因素。為證明這個猜測，作者使用去乙酰化酶抑制劑TSA處理野生型細胞，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，同時染色質(zhì)運動增強。zui  后，作者標記了5個位于A區(qū)室的染色質(zhì)位點和5個位于B區(qū)室的染色質(zhì)位點，發(fā)現(xiàn)位于B區(qū)室的染色質(zhì)位點的運動相比位于A區(qū)室的染色質(zhì)位點運動受限，證實了染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)與運動狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，支持了染色質(zhì)空間位置和折疊狀態(tài)對其運動狀態(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蛋白會使部分位于核膜附近的染色質(zhì)向核質(zhì)中轉(zhuǎn)移，同時使染色質(zhì)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(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)中對染色質(zhì)的作用力可能來自于細胞核內(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，像兩支隊伍之間的拔河，共同組織和維持染色質(zhì)在細胞核內(nèi)的正常分布和運動狀態(tài)。

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 1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做出了重要貢獻。