Protein&Cell|核纖層蛋白對染色質高級結構等調控

責編丨迦漵

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於高度摺疊的狀態，同時不斷發生運動變化。染色質的三維結構具有有序性和動態變化性，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，研究者發現染色質高級結構分為染色質環（Loop）、拓撲關聯域（Topologically associating domain，TAD）、A/B區室（A/B compartment）和染色體領地（Chromosome territory，CT）等多個層級。但是，研究者對於隔離與定位A/B區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的因素了解有限，染色質高級結構與運動狀態的關聯性尚不清楚。

已有對染色質高級結構和運動狀態的研究結果提示，細胞核核膜附近的核纖層區域對染色質的結構和運動狀態維持、相應基因表達調控均有重要作用。在核膜內層，核孔複合體和跨膜蛋白結合在由核纖層蛋白組成的網狀結構上，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（lamin B1和lamin B2）。近期，已有多個課題組分別報導了在擬南芥【1】、線蟲早期胚胎【2】、果蠅細胞【3】和小鼠胚胎幹細胞【4】中核纖層蛋白對染色質高級結構的影響，其研究結果既有一致性部分也有差異性部分，但尚無人源細胞中的報導。

2020年11月7日，北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）孫育傑課題組與北京大學生命科學學院李程課題組合作在Protein & Cell雜誌上在線發表了最新研究成果，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，特別是活細胞單染色質位點標記追蹤，首次揭示了在人源細胞中核纖層蛋白lamin B1對染色質高級結構及運動狀態的調控。

作者首先通過免疫螢光技術標記對應不同染色質緊密狀態的表觀遺傳修飾【5】，發現在lamin B1蛋白敲除的人乳腺癌細胞系中，對應染色質鬆散摺疊狀態的H3K4me2、H3K4me3和H3K27ac修飾整體含量有顯著性增加，而對應緊密摺疊狀態的H3K27me3修飾的核內分布由富集於核膜附近變化為分散於核質中。作者進一步用chromosome painting標記了2號、18號和19號染色體，通過定量染色體體積和細胞核內徑向分布，在單條染色體層面驗證了lamin B1蛋白敲除對染色質整體的解壓縮和重排布。隨後，作者通過laminA的ChIP-seq測序，鑑定了lamin B1敲除細胞中核纖層關聯域（Lamina-associated domain，LAD）的變化。發現LAD的數量雖然有所增加，但是其基因組覆蓋度和長度中位數均減小，提示部分LAD脫離了核纖層。Hi-C測序數據顯示，敲除lamin B1蛋白導致染色體之間及A/B區室之間的相互作用增加，表明lamin B1蛋白參與維持染色體領地和A/B區室的正常隔離。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lamin B1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】，發現敲除lamin B1蛋白不僅使傾向於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據進行分析，發現在野生型細胞中，同一個染色質位點定位於核膜附近區域時的運動相比定位於核質區域時的運動更加受限。而在lamin B1蛋白敲除的細胞中，同一個染色質位點定位於核質區域時的運動相比於野生型細胞中定位於核質區域時的運動加快，證明lamin B1可影響核質內染色質的運動。作者推測，受到lamin B1調控的染色質摺疊狀態可能是影響染色質運動的重要因素。為證明這個猜測，作者使用去乙醯化酶抑制劑TSA處理野生型細胞，使染色質上的乙醯化修飾增加，發現染色質整體摺疊狀態變得鬆散，同時染色質運動增強。最後，作者標記了5個位於A區室的染色質位點和5個位於B區室的染色質位點，發現位於B區室的染色質位點運動相比位於A區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的關聯，支持了染色質空間位置和摺疊狀態對其運動狀態的影響。

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域的染色質，從而為染色質在核內的分布提供牽引力。敲除lamin B1蛋白會使部分位於核膜附近的染色質向核質中轉移，同時使染色質摺疊趨於鬆散，有更大的自由度，從而運動速度和運動範圍增加。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區室正常的隔離狀態，使染色質高級結構發生一定混亂。結合之前的研究，核質中對染色質的作用力可能來自於細胞核內的核骨架蛋白及其相關蛋白，如HNRNPU【7】等，作者提出「拔河模型」：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與核內核骨架相反的牽引力，像兩支隊伍之間的拔河，共同維持染色質在細胞核內的正常分布和運動狀態。

據悉，北京大學生命科學學院常蕾博士（現任生物島實驗室副研究員）、生命科學聯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傑研究員和北京大學生命科學學院、統計科學中心李程研究員為本文的共同通訊作者。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，生物島實驗室範小英研究員，北京大學分子醫學研究所何愛彬研究員對本文做出了重要貢獻。

原文連結：

https://link.springer.com/article/10.1007/s13238-020-00794-8

參考文獻

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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).

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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. Cell 159, 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).