Science丨染色質也會疲勞，DNA修復后的留下的可遺傳性損傷

撰文｜雪月

細胞基因組不僅是遺傳信息的載體，還通過三維染色質結構調控基因活性與細胞命運。 DNA 包裹在組蛋白上形成染色質，并進一步折疊成拓撲相關結構域（ Topologically Associated Domains,TAD），使得遠距離的基因調控元件（如增強子與啟動子）能夠在空間上接近，從而實現精確的轉錄控制。然而，這種三維結構的復雜性也帶來了脆弱性：當DNA雙鏈斷裂（ double-strand breakDSB）發(fā)生時，除了直接損傷 DNA 序列外，還會引發(fā)染色質結構的廣泛重組與基因沉默。雖然細胞具備修復斷裂的機制，但 修復后的染色質能否完全恢復至原始狀態(tài)尚未闡釋清楚 。若不能恢復，是否會造成長期甚至可遺傳的功能障礙。

來自丹麥哥本哈根大學的Jiri Lukas團隊在 Science 上發(fā)表題為

Repair of DNA double-strand breaks leaves heritable impairment to genome function

研究團隊利用 CRISPR-Cas9 系統(tǒng) ，在人體 HeLa 細胞及小鼠胚胎干細胞中 精確誘導單個 DNA 雙鏈斷裂 ，選取的典型研究位點是 c-MYC 基因所在 TAD 區(qū)域 。 c-MYC 是一個拓撲敏感且調控廣泛的原癌基因，非常適合觀察染色質結構與轉錄的對應變化。 作者首先 在 c-MYC 所在 TAD 的不同位置（包括距基因本身數百 kb 甚至上 Mb 的區(qū)域）引入 Cas9 切口，檢測 c-MYC 蛋白水平及 mRNA 表達（ QIBC 和 RT-qPCR ）。

結果發(fā)現 即使斷裂不在 c-MYC 基因內，只要位于同一 TAD 內， c-MYC 及鄰近基因的表達均顯著下降 。這種抑制在 DNA 修復完成后仍持續(xù)存在，表明染色質結構的改變影響了整個區(qū)域的轉錄活性。 作者 在修復后追蹤 c-MYC 表達隨時間的變化（ 24–96 小時），并通過單細胞克隆擴增驗證子代細胞中的表達狀態(tài)。 分析顯示修復完成后，母細胞中c-MYC的表達下降并未恢復，且在克隆擴增后的子代細胞中仍保持低水平。染色質受損后形成的“表達記憶”可在細胞代際間傳遞。類似結果在小鼠胚胎干細胞 Mcm2 基因區(qū)域中得到驗證，進一步證明此現象具有普遍性。

作者 通過三維 DNA 熒光原位雜交（ 3D DNA FISH ）和 Region Capture Micro-C 技術，精確測量修復前后 c-MYC TAD 內的染色質空間距離與接觸頻率。 結果顯示 修復后， TAD 內遠距離接觸明顯減少，而局部短程相互作用增強，顯示染色質發(fā)生持久性拓撲重排。這種結構變化并非暫時性損傷，而是 DNA 修復完成后仍持續(xù)存在的空間 “ 疤痕 ” 。作者又 利用 Micrococcal Nuclease 測序（ MNase-seq ）與 CTCF ChIP-seq 分析染色質可及性和 TAD 邊界穩(wěn)定性。 分析顯示 總體核小體分布無大規(guī)模變化，但斷裂附近區(qū)域的可及性顯著改變。 CTCF 介導的染色質環(huán)基本維持，說明損傷主要影響局部拓撲，而非整個染色體結構。 作者最后 使用 RNA FISH 檢測 c-MYC 及其相鄰長鏈非編碼 RNA （ PVT1 ）的核內分布。修復后，這些 RNA 在其基因位點處的滯留與積聚顯著減少，說明局部轉錄復合體及核內結構域被破壞。這可能是基因表達長期下降的直接原因之一。

本研究系統(tǒng)揭示了DNA雙鏈斷裂修復后的一個被長期忽視的層面：染色質結構與基因功能的不可逆改變。這種結構性與功能性損傷可穩(wěn)定地傳遞給子代細胞，形成一種可遺傳的基因表達缺陷，被作者定義為“染色質疲勞（chromatin fatigue）”。染色質疲勞為理解 細胞老化、癌癥發(fā)生、環(huán)境應激應答及基因編輯潛在副作用 提供了新的理論框架，也提示未來在研究 DNA 修復及基因治療時，必須同時關注 三維染色質層面的長期影響 。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk6662

制版人： 十一

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