曲靜/劉光慧/張維綺揭示核纖層蛋白“建筑師”通過“內外兼修”構筑三維基因組結構

編輯丨王多魚

排版丨水成文

人類基因組總長度近 2 米，卻能在直徑僅約 10 微米的細胞核內高度有序地折疊，其壓縮尺度相當于將珠穆朗瑪峰高度的復雜模型裝入一枚乒乓球中，這是生命科學中最令人驚嘆的現象之一。基因組的有序性體現在多層次的三維構象上，包括大尺度的染色體疆域和 A/B 區室，以及更小尺度的拓撲相關結構域（topologically associating domains, TADs）和染色質環（chromatinloops）。單個染色體及其結構域在核內的偏好性定位也遵循特定的空間規律：轉錄抑制的異染色質通常富集于核周，而轉錄活躍的常染色質則傾向定位于核內。與之相呼應的是，負責轉錄激活和 RNA 加工的核斑（nuclear speckle）也通常分布于核內。這些精密的空間結構使得細胞能夠在不同發育階段實現基因表達的精準調控。因此，闡明基因組空間組織的形成與調控機制，已成為領域內的核心科學問題。

核纖層（nuclear lamina）是緊貼內核膜內側的蛋白網狀結構，主要由核纖層蛋白（lamins）及其結合蛋白構成。在人類中，lamins 分為 A 型（由 LMNA 基因編碼）和 B 型（分別由 LMNB1 和 LMNB2 編碼）。Lamins 在發育、衰老與疾病過程中扮演關鍵角色，目前已在LMNA基因中鑒定出超過 600 種致病突變，可導致包括兒童早衰癥和擴張型心肌病在內的多種核纖層病（laminopathies）。傳統上，核纖層病的病因被主要歸結為細胞核機械穩定性的下降。與核纖層相互作用的大尺度基因組區域被稱為核纖層相關結構域（lamina-associated domains, LADs），盡管LADs 的核周定位被認為依賴于其與核纖層的相互作用，但不同 lamins 成員在此過程中的具體功能分工，以及它們如何協同維持正常與病理狀態下的染色質高級結構，仍有待系統闡明。

研究團隊在核纖層疾病領域的探索始于 2011 年。彼時，他們率先利用兒童早衰癥患者的細胞成功構建了誘導多能干細胞，發現表觀遺傳重編程可以逆轉細胞核的衰老特征，這為在細胞層面探索“衰老逆轉”提供了早期證據（Nature2011）。隨后，團隊利用第三代腺病毒載體技術，在患者干細胞中成功實現了對 LMNA 致病突變的精準矯正，這項工作為基于基因編輯的原位治療策略提供了重要的概念驗證（Cell Stem Cell2011）。此后，通過結合 HDAdV 與 TALEN 技術，團隊開發了更安全高效的 telHDAdV 基因編輯系統（Cell Stem Cell2014）。基于這些技術積累，他們與合作者陸續創建了攜帶 LMNA 突變的兒童早衰癥胚胎干細胞及非人靈長類疾病模型（Cell2016,Protein Cell2018/2020），并系統揭示了核纖層異常導致多維表觀基因組重塑及古病毒復活的規律（Dev Cell2022,Cell2023,Cell Reports2023）。這些持續而系統的前期工作，為本次深入揭示 lamins 在三維基因組中的核心功能奠定了堅實基礎。

基于團隊在核纖層病研究研究領域的多年積累，近日，中國科學院動物研究所曲靜課題組、劉光慧課題組與中國科學院北京基因組研究所張維綺課題組合作，在Cell Reports 期刊發表了題為：Nuclear-lamin-guided plastic positioning and folding of the human genome的研究論文。

該研究揭示了“基因組積木模型”的幕后搭建者——lamins 在人類干細胞三維基因組結構中的關鍵角色，首次系統繪制了 lamins 家族缺失下的三維表觀基因組全景圖譜，并證明了 lamins 不僅是基因組–核纖層錨定及大尺度基因組結構的關鍵調控者，還通過與核斑結構蛋白 SON 的相互作用，精確調控核斑的空間定位與聚集。該研究將核纖層病的病理機制認知從傳統的“細胞核機械性脆弱”模型，推動至“三維基因組組織紊亂導致基因表達失調”的新范式，為深入理解核纖層病的發病機制提供了全新視角。

首次系統繪制lamins家族擾動的人類三維表觀基因組圖譜

該研究首次在人正常二倍體細胞中實現了lamins 家族的系統性敲除。在人胚胎干細胞中（hESC），lamins 缺失未顯著影響干細胞穩態；然而，在人間充質干細胞中（hMSC），B 型 lamins 缺失導致核膜起泡，而lamin A/C/B1/B2 全敲除（triple knockout, TKO）則引起嚴重的核形變，導致約 70% 的 LAD 脫離核周，甚至改變了染色體的定位偏好，并伴隨細胞增殖能力的顯著下降。研究進一步通過整合多達14 個維度的表觀基因組數據，并結合基因組熒光原位雜交技術，突破了以往研究多依賴于單一技術層面的局限，革新了領域內對基因組-核纖層錨定模型的認知（圖1）。

圖1：系統繪制lamins家族擾動的三維表觀基因組圖譜

修正人類基因組–核纖層錨定模型

該研究首次根據基因組對 lamins 的依賴程度，建立了一套全新的基因組–核纖層錨定模型：L1 區域（富集A/T序列且缺乏經典組蛋白修飾）依賴于全部 lamins 的共同錨定，在 TKO 后完全脫離核周；L2 區域（富集H3K9me3修飾）由 lamins 與 lamin B 受體（lamin B receptor, LBR）共同錨定，僅在 TKO 中進一步敲除 LBR 的條件下才脫離核周；L3 區域（富集H3K27me3修飾且位于LAD邊界）對 lamins 缺失極為敏感，在單/雙敲除條件下即發生脫離。進一步分析發現，不同亞型的 inter-LAD（iLAD）—iL1、iL2 和iL3—在 lamins 缺失后也遵循不同的轉變規律：iL1 區域（富集啟動子狀態和轉錄活躍的核斑）僅在 TKO 后從核內翻轉至核周；iL2 區域（富集增強子狀態）在 TKO 后仍位于核內；iL3 區域（富集鋅指蛋白基因且位于iLAD邊界）在單/雙敲除條件下即發生核內向核周翻轉。這表明 lamins 不僅負責將 LAD 錨定于核周，對于維持特定基因組區域在核內的定位也發揮著關鍵作用（圖2）。

圖2：建立lamins依賴的基因組錨定模型

Lamins維持人類大尺度三維基因組結構

研究填補了領域內對基因組大尺度空間組織機制的認知空白，提出lamins 是大尺度三維基因組結構的關鍵組織者，包括染色體疆域、染色質區室互作簇（A–A和B–B）以及跨度達 10 Mb以上的 mega-loops結構。值得注意的是，局部染色質結構（如TADs和loops）及其組織因子 CTCF/cohesin 的結合模式在 lamins 缺失時基本得以保留。這提示可能存在兩種不同的組織原則分別調控大尺度構象（lamins）與局部構象（CTCF/cohesin）。研究提出，lamins 作為關鍵的結構支架，通過限制 LAD 之間的接觸以維持染色體疆域的隔離，并通過維持染色體內的長程互作簇來促進染色質的壓縮（圖3）。

圖3：Lamins協同維持大尺度三維基因組結構

核斑組織紊亂及核纖層病的機制見解

研究證實lamin A 與核斑支架蛋白 SON 之間存在相互作用。Lamins 缺失導致核斑和 iL1 富集的核斑結構域（speckle-associated domains, SPADs）從核內翻轉至核周，其空間聚集也被破壞，這一系列結構變化引發了全局性轉錄水平下調。超過 75% 的下調基因定位于 SPADs，并富集于細胞周期通路，其中生長調控轉錄因子EGR1 的抑制最為顯著，這直接損害了細胞的增殖能力。該發現將干細胞功能障礙置于核纖層病發病機制的核心位置，提示成體干細胞耗竭可能是驅動組織退化和早衰的關鍵因素。重新表達野生型lamin A可部分恢復基因組層級結構、核斑分布與轉錄水平，而與核纖層病相關的E161K突變體則廢除了恢復能力。這些結果不僅揭示了lamins在細胞核空間結構中的多層次調控作用，更首次直接將“核斑錯誤定位”與“核纖層病”聯系起來，為闡明lamins功能障礙的致病機制提供了關鍵的分子解釋（圖4）。

圖4：Lamin A病理突變削弱了基因組結構維持及與SON的結合能力并伴隨轉錄水平下調

綜上所述，該研究在 hESC 及其分化來源的 hMSC 中首次構建了 lamins 的單、雙、三敲除模型，系統揭示了 lamins 在基因組徑向定位與空間折疊中的核心作用。與 hESC 不同，hMSC 對 lamins 缺失異常敏感，表現出嚴重的核形變及大規模的空間基因組重構。其核心機制在于，lamin A 通過與 SON的相互作用來維持核內結構，而致病突變 E161K 則會破壞此過程。該研究的意義不僅限于典型的核纖層病：鑒于細胞衰老普遍伴隨核纖層紊亂，此發現為理解生理性衰老及防治衰老相關疾病提供了重要的新線索和潛在靶標。這項工作不僅揭示了核纖層病的潛在機制，更將相關疾病的病理認知推向了一個統一的“三維基因組紊亂”框架，為未來開發靶向 lamin-SON 軸的治療策略奠定了理論基礎。

中國科學院動物研究所王澤華博士、季乾昭博士、劉尊鵬博士和博士研究生焦春雨為該研究的并列第一作者。中國科學院動物研究所曲靜研究員、劉光慧研究員和國家生物信息中心（中國科學院北京基因組研究所）張維綺研究員為該研究的共同通訊作者。該研究得到中國科學院深圳先進技術研究院曹罡教授的指導與支持。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)01300-2