曲静/刘光慧/张维绮揭示核纤层蛋白“建筑师”通过“内外兼修”构筑三维基因组结构

人类基因组总长度近 2 米，却能在直径仅约 10 微米的细胞核内高度有序地折叠，其压缩尺度相当于将珠穆朗玛峰高度的复杂模型装入一枚乒乓球中，这是生命科学中最令人惊叹的现象之一。基因组的有序性体现在多层次的三维构象上，包括大尺度的染色体疆域和 A/B 区室，以及更小尺度的拓扑相关结构域（topologically associating domains, TADs）和染色质环（chromatinloops）。单个染色体及其结构域在核内的偏好性定位也遵循特定的空间规律：转录抑制的异染色质通常富集于核周，而转录活跃的常染色质则倾向定位于核内。与之相呼应的是，负责转录激活和 RNA 加工的核斑（nuclear speckle）也通常分布于核内。这些精密的空间结构使得细胞能够在不同发育阶段实现基因表达的精准调控。因此，阐明基因组空间组织的形成与调控机制，已成为领域内的核心科学问题。

核纤层（nuclear lamina）是紧贴内核膜内侧的蛋白网状结构，主要由核纤层蛋白（lamins）及其结合蛋白构成。在人类中，lamins 分为 A 型（由 LMNA 基因编码）和 B 型（分别由 LMNB1 和 LMNB2 编码）。Lamins 在发育、衰老与疾病过程中扮演关键角色，目前已在 LMNA 基因中鉴定出超过 600 种致病突变，可导致包括儿童早衰症和扩张型心肌病在内的多种核纤层病（laminopathies）。传统上，核纤层病的病因被主要归结为细胞核机械稳定性的下降。与核纤层相互作用的大尺度基因组区域被称为核纤层相关结构域（lamina-associated domains, LADs），尽管 LADs 的核周定位被认为依赖于其与核纤层的相互作用，但不同 lamins 成员在此过程中的具体功能分工，以及它们如何协同维持正常与病理状态下的染色质高级结构，仍有待系统阐明。

研究团队在核纤层疾病领域的探索始于 2011 年。彼时，他们率先利用儿童早衰症患者的细胞成功构建了诱导多能干细胞，发现表观遗传重编程可以逆转细胞核的衰老特征，这为在细胞层面探索“衰老逆转”提供了早期证据（Nature2011）。随后，团队利用第三代腺病毒载体技术，在患者干细胞中成功实现了对 LMNA 致病突变的精准矫正，这项工作为基于基因编辑的原位治疗策略提供了重要的概念验证（Cell Stem Cell2011）。此后，通过结合 HDAdV 与 TALEN 技术，团队开发了更安全高效的 telHDAdV 基因编辑系统（Cell Stem Cell2014）。基于这些技术积累，他们与合作者陆续创建了携带 LMNA 突变的儿童早衰症胚胎干细胞及非人灵长类疾病模型（Cell 2016, Protein Cell2018/2020），并系统揭示了核纤层异常导致多维表观基因组重塑及古病毒复活的规律（Dev Cell2022, Cell2023, Cell Reports2023）。这些持续而系统的前期工作，为本次深入揭示 lamins 在三维基因组中的核心功能奠定了坚实基础。

基于团队在核纤层病研究研究领域的多年积累，近日，中国科学院动物研究所曲静课题组、刘光慧课题组与中国科学院北京基因组研究所张维绮课题组合作，在 Cell Reports 期刊发表了题为：Nuclear-lamin-guided plastic positioning and folding of the human genome 的研究论文。

该研究揭示了“基因组积木模型”的幕后搭建者——lamins 在人类干细胞三维基因组结构中的关键角色，首次系统绘制了 lamins 家族缺失下的三维表观基因组全景图谱，并证明了 lamins 不仅是基因组–核纤层锚定及大尺度基因组结构的关键调控者，还通过与核斑结构蛋白 SON 的相互作用，精确调控核斑的空间定位与聚集。该研究将核纤层病的病理机制认知从传统的“细胞核机械性脆弱”模型，推动至“三维基因组组织紊乱导致基因表达失调”的新范式，为深入理解核纤层病的发病机制提供了全新视角。 

首次系统绘制lamins家族扰动的人类三维表观基因组图谱

该研究首次在人正常二倍体细胞中实现了 lamins 家族的系统性敲除。在人胚胎干细胞中（hESC），lamins 缺失未显著影响干细胞稳态；然而，在人间充质干细胞中（hMSC），B 型 lamins 缺失导致核膜起泡，而 lamin A/C/B1/B2 全敲除（triple knockout, TKO）则引起严重的核形变，导致约 70% 的 LAD 脱离核周，甚至改变了染色体的定位偏好，并伴随细胞增殖能力的显著下降。研究进一步通过整合多达 14 个维度的表观基因组数据，并结合基因组荧光原位杂交技术，突破了以往研究多依赖于单一技术层面的局限，革新了领域内对基因组-核纤层锚定模型的认知（图1）。

图1：系统绘制lamins家族扰动的三维表观基因组图谱

修正人类基因组–核纤层锚定模型

该研究首次根据基因组对 lamins 的依赖程度，建立了一套全新的基因组–核纤层锚定模型：L1 区域（富集A/T序列且缺乏经典组蛋白修饰）依赖于全部 lamins 的共同锚定，在 TKO 后完全脱离核周；L2 区域（富集H3K9me3修饰）由 lamins 与 lamin B 受体（lamin B receptor, LBR）共同锚定，仅在 TKO 中进一步敲除 LBR 的条件下才脱离核周；L3 区域（富集H3K27me3修饰且位于LAD边界）对 lamins 缺失极为敏感，在单/双敲除条件下即发生脱离。进一步分析发现，不同亚型的 inter-LAD（iLAD）—iL1、iL2 和iL3—在 lamins 缺失后也遵循不同的转变规律：iL1 区域（富集启动子状态和转录活跃的核斑）仅在 TKO 后从核内翻转至核周；iL2 区域（富集增强子状态）在 TKO 后仍位于核内；iL3 区域（富集锌指蛋白基因且位于iLAD边界）在单/双敲除条件下即发生核内向核周翻转。这表明 lamins 不仅负责将 LAD 锚定于核周，对于维持特定基因组区域在核内的定位也发挥着关键作用（图2）。

图2：建立lamins依赖的基因组锚定模型

Lamins维持人类大尺度三维基因组结构

研究填补了领域内对基因组大尺度空间组织机制的认知空白，提出 lamins 是大尺度三维基因组结构的关键组织者，包括染色体疆域、染色质区室互作簇（A–A和B–B）以及跨度达 10 Mb 以上的 mega-loops 结构。值得注意的是，局部染色质结构（如TADs和loops）及其组织因子 CTCF/cohesin 的结合模式在 lamins 缺失时基本得以保留。这提示可能存在两种不同的组织原则分别调控大尺度构象（lamins）与局部构象（CTCF/cohesin）。研究提出，lamins 作为关键的结构支架，通过限制 LAD 之间的接触以维持染色体疆域的隔离，并通过维持染色体内的长程互作簇来促进染色质的压缩（图3）。

图3：Lamins协同维持大尺度三维基因组结构

核斑组织紊乱及核纤层病的机制见解

研究证实 lamin A 与核斑支架蛋白 SON 之间存在相互作用。Lamins 缺失导致核斑和 iL1 富集的核斑结构域（speckle-associated domains, SPADs）从核内翻转至核周，其空间聚集也被破坏，这一系列结构变化引发了全局性转录水平下调。超过 75% 的下调基因定位于 SPADs，并富集于细胞周期通路，其中生长调控转录因子 EGR1 的抑制最为显著，这直接损害了细胞的增殖能力。该发现将干细胞功能障碍置于核纤层病发病机制的核心位置，提示成体干细胞耗竭可能是驱动组织退化和早衰的关键因素。重新表达野生型lamin A可部分恢复基因组层级结构、核斑分布与转录水平，而与核纤层病相关的E161K突变体则废除了恢复能力。这些结果不仅揭示了lamins在细胞核空间结构中的多层次调控作用，更首次直接将“核斑错误定位”与“核纤层病”联系起来，为阐明lamins功能障碍的致病机制提供了关键的分子解释（图4）。

图4：Lamin A病理突变削弱了基因组结构维持及与SON的结合能力并伴随转录水平下调

综上所述，该研究在 hESC 及其分化来源的 hMSC 中首次构建了 lamins 的单、双、三敲除模型，系统揭示了 lamins 在基因组径向定位与空间折叠中的核心作用。与 hESC 不同，hMSC 对 lamins 缺失异常敏感，表现出严重的核形变及大规模的空间基因组重构。其核心机制在于，lamin A 通过与 SON的相互作用来维持核内结构，而致病突变 E161K 则会破坏此过程。该研究的意义不仅限于典型的核纤层病：鉴于细胞衰老普遍伴随核纤层紊乱，此发现为理解生理性衰老及防治衰老相关疾病提供了重要的新线索和潜在靶标。这项工作不仅揭示了核纤层病的潜在机制，更将相关疾病的病理认知推向了一个统一的“三维基因组紊乱”框架，为未来开发靶向 lamin-SON 轴的治疗策略奠定了理论基础。

中国科学院动物研究所王泽华博士、季乾昭博士、刘尊鹏博士和博士研究生焦春雨为该研究的并列第一作者。中国科学院动物研究所曲静研究员、刘光慧研究员和国家生物信息中心（中国科学院北京基因组研究所）张维绮研究员为该研究的共同通讯作者。该研究得到中国科学院深圳先进技术研究院曹罡教授的指导与支持。