Science：染色质也会疲劳，DNA修复后的留下的可遗传性损伤

细胞基因组不仅是遗传信息的载体，还通过三维染色质结构调控基因活性与细胞命运。DNA 包裹在组蛋白上形成染色质，并进一步折叠成拓扑相关结构域（Topologically Associated Domains, TAD），使得远距离的基因调控元件（如增强子与启动子）能够在空间上接近，从而实现精确的转录控制。然而，这种三维结构的复杂性也带来了脆弱性：当 DNA 双链断裂（double-strand break DSB）发生时，除了直接损伤 DNA 序列外，还会引发染色质结构的广泛重组与基因沉默。虽然细胞具备修复断裂的机制，但修复后的染色质能否完全恢复至原始状态尚未阐释清楚。若不能恢复，是否会造成长期甚至可遗传的功能障碍。

来自丹麦哥本哈根大学的Jiri Lukas 团队在Science上发表题为Repair of DNA double-strand breaks leaves heritable impairment to genome function 的文章。该研究发现DNA双链断裂即使被成功修复，也会在染色质三维结构中留下持久“疤痕”，导致基因表达功能的可遗传性损伤，这一现象作者称为染色质疲劳（chromatin fatigue）。

研究团队利用CRISPR-Cas9系统，在人体HeLa细胞及小鼠胚胎干细胞中精确诱导单个DNA双链断裂，选取的典型研究位点是c-MYC基因所在TAD区域。c-MYC是一个拓扑敏感且调控广泛的原癌基因，非常适合观察染色质结构与转录的对应变化。作者首先在c-MYC所在TAD的不同位置（包括距基因本身数百kb甚至上Mb的区域）引入Cas9切口，检测c-MYC蛋白水平及mRNA表达（QIBC和RT-qPCR）。

结果发现即使断裂不在c-MYC基因内，只要位于同一TAD内，c-MYC及邻近基因的表达均显著下降。这种抑制在DNA修复完成后仍持续存在，表明染色质结构的改变影响了整个区域的转录活性。作者在修复后追踪c-MYC表达随时间的变化（24–96小时），并通过单细胞克隆扩增验证子代细胞中的表达状态。分析显示修复完成后，母细胞中c-MYC的表达下降并未恢复，且在克隆扩增后的子代细胞中仍保持低水平。染色质受损后形成的“表达记忆”可在细胞代际间传递。类似结果在小鼠胚胎干细胞Mcm2基因区域中得到验证，进一步证明此现象具有普遍性。

作者通过三维DNA荧光原位杂交（3D DNA FISH）和Region Capture Micro-C技术，精确测量修复前后c-MYC TAD内的染色质空间距离与接触频率。结果显示修复后，TAD内远距离接触明显减少，而局部短程相互作用增强，显示染色质发生持久性拓扑重排。这种结构变化并非暂时性损伤，而是DNA修复完成后仍持续存在的空间“疤痕”。作者又利用Micrococcal Nuclease测序（MNase-seq）与CTCF ChIP-seq分析染色质可及性和TAD边界稳定性。分析显示总体核小体分布无大规模变化，但断裂附近区域的可及性显著改变。CTCF介导的染色质环基本维持，说明损伤主要影响局部拓扑，而非整个染色体结构。作者最后使用RNA FISH检测c-MYC及其相邻长链非编码RNA（PVT1）的核内分布。修复后，这些RNA在其基因位点处的滞留与积聚显著减少，说明局部转录复合体及核内结构域被破坏。这可能是基因表达长期下降的直接原因之一。

本研究系统揭示了DNA双链断裂修复后的一个被长期忽视的层面：染色质结构与基因功能的不可逆改变。这种结构性与功能性损伤可稳定地传递给子代细胞，形成一种可遗传的基因表达缺陷，被作者定义为“染色质疲劳（chromatin fatigue）”。染色质疲劳为理解细胞老化、癌症发生、环境应激应答及基因编辑潜在副作用提供了新的理论框架，也提示未来在研究DNA修复及基因治疗时，必须同时关注三维染色质层面的长期影响。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk6662