摘要
免疫細胞的分化、發(fā)育和激活需要轉(zhuǎn)錄程序的精確和協(xié)調(diào)控制?；蚪M的三維（3D）組織結(jié)構(gòu)已成為染色質(zhì)狀態(tài)、轉(zhuǎn)錄活性和細胞身份決定的重要調(diào)節(jié)因子，它可以通過促進或阻礙轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件與靶基因之間的遠程染色質(zhì)相互作用來調(diào)控基因的表達。染色質(zhì)折疊可使免疫細胞對胞外信號產(chǎn)生細胞類型特異性和刺激特異性的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答反應(yīng)，這對于控制免疫細胞命運分化、炎癥反應(yīng)和產(chǎn)生各種抗原受體特異性應(yīng)答是必不可少的。在此，我們系統(tǒng)回顧了3D基因組組織與免疫細胞分化和功能控制之間聯(lián)系的最新研究進展，并討論了3D基因組折疊的改變?nèi)绾螌?dǎo)致免疫細胞的功能障礙和惡性轉(zhuǎn)化。
免疫反應(yīng)中的基因組拓撲結(jié)構(gòu)
先天性免疫反應(yīng)
針對病原體的免疫防御始于先天免疫系統(tǒng)的激活，先天免疫系統(tǒng)主要由吞噬細胞（如巨噬細胞、樹突細胞）、粒細胞（如中性粒細胞）和 ILC細胞（如自然殺傷細胞）等組成。當(dāng)免疫細胞中識別典型病原體相關(guān)分子（PAM）的受體被激活后，它們會迅速上調(diào)數(shù)百種炎癥反應(yīng)基因的表達，這些基因編碼的蛋白產(chǎn)物能夠殺滅病原體、清除死細胞，以及釋放大量的細胞因子和趨化因子等71。其中，有些炎癥基因的表達會在幾分鐘內(nèi)被誘導(dǎo)出來，而另一些則可能需要幾個小時 72,73 。這些復(fù)雜的時間動態(tài)調(diào)控模式是由譜系特異性轉(zhuǎn)錄因子在細胞刺激之前建立的廣泛增強子網(wǎng)絡(luò)所控制的。例如，在巨噬細胞中，髓系細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子PU.1確定了增強子庫，刺激信號激活的轉(zhuǎn)錄因子可以與之結(jié)合以增加增強子的活性 74,75,76,77 。然而，有一小部分誘導(dǎo)型的增強子不是預(yù)先建立的，而是在刺激之后重新出現(xiàn)的 75,76。此外，在炎癥反應(yīng)期間，有一部分啟動子也可以作為真正的增強子協(xié)助遠程基因的調(diào)控 78 。
“炎癥”增強子的快速激活以及隨后的轉(zhuǎn)錄程序需要3D基因組中增強子-啟動子遠程互作的精確協(xié)調(diào)控制。也許并不奇怪，大多數(shù)染色質(zhì)相互作用在不同先天免疫細胞激活后仍然保持不變，并且大多數(shù)TAD和染色質(zhì)區(qū)室僅發(fā)生微小的變化 79,80,81,82,83 。這些發(fā)現(xiàn)提出了一個模型，即基因組的三維構(gòu)象充當(dāng)了一個結(jié)構(gòu)支架，可以將增強子及其作用靶基因置于3D鄰近位置，從而啟動響應(yīng)基因以在刺激時快速激活 5 。然而，基因組染色質(zhì)互作強度的變化也可能取決于細胞類型和刺激信號。研究表明，在小鼠樹突狀細胞中，只有10%的染色質(zhì)相互作用在脂多糖 (LPS) 刺激后顯示出可檢測到的變化 81 ，這類似于非免疫細胞在炎癥刺激下觀察到的適度變化 79,82 。有趣的是，大多數(shù)預(yù)先建立的染色質(zhì)相互作用都涉及處于primed狀態(tài)的增強子元件，并在LPS刺激后被激活 81。然而，研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用佛波醇12-肉豆蔻酸酯13-乙酸酯 (PMA) 激活人中心粒細胞時，染色質(zhì)的短程相互作用整體減少，而遠程染色體間互作逐漸增加 80 。盡管大多數(shù)染色質(zhì)區(qū)室的邊界保持穩(wěn)定，但一小部分具有較弱 A 區(qū)室關(guān)聯(lián)的炎癥基因位點會在刺激時增加其A區(qū)室互作強度，表明已啟動3D基因組重塑。刺激可以誘導(dǎo)黏連蛋白Cohesin快速募集到這些區(qū)域的增強子中，這可能與基因的轉(zhuǎn)錄激活相關(guān) 80 。有趣的是，鈣離子的快速內(nèi)流在30分鐘后會削弱了中性粒細胞的整體區(qū)室隔離，這可能是為了解除那些防止炎癥基因過早激活的調(diào)節(jié)區(qū)域的強隔離效應(yīng) 84 。類似的，人們在PMA刺激的人THP-1單核細胞中，也觀察到了先天免疫細胞所表現(xiàn)出的3D基因組拓撲結(jié)構(gòu)的廣泛預(yù)制性，其中僅有約200個染色質(zhì)互作環(huán)是從頭建立的 85 。最近的一項后續(xù)研究使用LPS激活THP-1單核細胞后，分別構(gòu)建了不同激活時間點的高分辨率 (5kb) Hi-C互作圖譜，通過差異分析僅檢測到了1.2%的差異染色質(zhì)互作環(huán) (n= 502)，與檢測到的53%的差異激活增強子和28%的差異表達基因形成了鮮明的對比86 。然而，新形成的染色質(zhì)環(huán)與基因表達的上調(diào)密切相關(guān)，并且顯著富集了刺激誘導(dǎo)的AP1家族轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，而 CTCF則主要富集在穩(wěn)定染色質(zhì)環(huán)的錨定位點。類似的，人們在LPS處理的樹突狀細胞誘導(dǎo)的染色質(zhì)相互作用中也顯著富集到了AP1轉(zhuǎn)錄因子 81 ，這些結(jié)果表明信號響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子可以介導(dǎo)動態(tài)的遠程染色質(zhì)相互作用 85 。需要注意的是，這些研究并未評估5 kb分辨率以下的基因組拓撲結(jié)構(gòu)，因此無法分析在超高分辨率（即單核小體水平）下觀察到的更精細的TAD內(nèi)相互作用。
CXC趨化因子配體 (CXCL) 基因簇是研究炎癥基因位點快速重構(gòu)局部3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的典型范例。這些基因處在一個TAD結(jié)構(gòu)內(nèi)，并在炎癥刺激時可以增強其常染色質(zhì)特性以及重新定位到細胞核內(nèi)部 80。在先天免疫和非免疫細胞中，當(dāng)細胞受到不同類型的刺激時，CXCL TAD結(jié)構(gòu) 87,88 及其相鄰域 80 內(nèi)的基因組相互作用變得更加頻繁。在LPS處理的小鼠樹突狀細胞中，CXCL基因的啟動子和增強子可以在單個細胞中形成一個相互交織的多向相互作用網(wǎng)絡(luò) 81 ，從而協(xié)調(diào)的控制相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄激活。在全基因組范圍內(nèi)，腫瘤壞死因子 (TNF) 或 LPS 等先天免疫信號激活的靶基因可以參與轉(zhuǎn)錄因子驅(qū)動的3D染色質(zhì)聚集 81,85,89 ，這有助于它們的快速誘導(dǎo)激活 5 。有趣的是，多向增強子-啟動子相互作用在單個細胞中的同質(zhì)性與轉(zhuǎn)錄噪聲的減少有關(guān)，可能有助于炎癥反應(yīng)的穩(wěn)定性 81 。人類 CXCL TAD結(jié)構(gòu)也說明了結(jié)構(gòu)域邊界對于限制 ncRNA作用的重要性。在CXCL基因座的一個80kb超級增強子內(nèi)，有一個炎癥趨化因子基因座 (UMLILO) 的ncRNA 基因，當(dāng)該非編碼RNA轉(zhuǎn)錄時能夠招募染色質(zhì)修飾復(fù)合物到基因的啟動子上，并促進其轉(zhuǎn)錄 87 . UMLILO的缺失確實會減弱CXCL基因的激活，但不影響鄰近 TAD中基因的表達 87 。TAD內(nèi)的相互作用可以將 UMLILO 復(fù)合物集中在靠近 CXCL 基因啟動子的位置，從而允許信號響應(yīng)性轉(zhuǎn)錄因子進行穩(wěn)健的誘導(dǎo)。
已有研究表明Cohesin黏連蛋白或CTCF的缺失會損害 LPS 誘導(dǎo)的炎癥基因的激活，這些結(jié)果進一步支持了3D基因組組織在引發(fā)炎癥反應(yīng)中的關(guān)鍵作用69,70,84,90,91,92 。Cohesin是關(guān)鍵上游炎癥調(diào)節(jié)因子（包括轉(zhuǎn)錄因子和細胞因子受體）正確表達所必需的。因此，缺乏Cohesin的小鼠巨噬細胞顯示出減弱的炎癥反應(yīng)，尤其是干擾素響應(yīng)基因表達的降低 90 ，這是由誘導(dǎo)型增強子和可誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄爆發(fā)部分解偶聯(lián)所引起的92 。Cohesin還限制了人巨噬細胞中一部分炎癥基因的誘導(dǎo)表達 69，以及在先前刺激的細胞中重新激活成簇的炎癥基因集 93 。CC-趨化因子配體 2 (CCL2) 基因座的誘導(dǎo)表達可以用來說明CTCF在控制炎癥基因誘導(dǎo)中的調(diào)節(jié)作用。激活前CTCF的缺失導(dǎo)致預(yù)先建立的增強子-啟動子相互作用減弱，并導(dǎo)致 CCL2 的誘導(dǎo)表達受損 70 ，表明CTCF有助于在先天免疫細胞中建立快速上調(diào)炎癥基因轉(zhuǎn)錄所需的3D 染色質(zhì)景觀。
總的來說，這些研究支持了以下模型，即預(yù)先建立的TAD 結(jié)構(gòu)和基因互作中心（由CTCF和Cohesin粘連蛋白的環(huán)擠壓過程所介導(dǎo)）為信號響應(yīng)性轉(zhuǎn)錄因子提供了一個染色質(zhì)框架，以調(diào)節(jié)誘導(dǎo)型基因和增強子之間的短程相互作用，從而促進炎癥基因的快速響應(yīng)和強烈激活（圖 4）。
適應(yīng)性免疫反應(yīng)
淋巴細胞在骨髓或胸腺中發(fā)育成熟后，初始淋巴細胞會進入到外周血液循環(huán)中以尋找它們的同源抗原。在這種靜息狀態(tài)下，初始T 細胞和B 細胞處于一種高度致密的染色質(zhì)狀態(tài)，以維持靜息狀態(tài)并防止過早激活 47,94,95 。當(dāng)初始淋巴細胞接收到同源抗原和共刺激信號的共同作用后，會被激活分化為效應(yīng)性細胞。淋巴細胞的活化往往伴隨著大規(guī)模的表觀基因組和轉(zhuǎn)錄組重塑，從而轉(zhuǎn)化為高度增殖和代謝活躍的細胞狀態(tài) 96,97,98 。初始T 細胞和 B細胞通常需要幾天的時間才能建立炎癥基因表達程序，因為它們?nèi)狈υ谙忍烀庖呒毎杏^察到的預(yù)先建立的增強子景觀。有趣的是，近期有研究發(fā)現(xiàn)TCF1轉(zhuǎn)錄因子可以與CTCF蛋白合作協(xié)調(diào)3D基因組染色質(zhì)相互作用，以保護初始T 細胞的穩(wěn)態(tài)增殖 99 。目前，已有幾項研究初步解析了T 細胞和B 細胞在激活活化和終末分化期間的3D基因組拓撲結(jié)構(gòu)，繪制了支持轉(zhuǎn)錄重編程和細胞增殖的3D染色質(zhì)相互作用的動態(tài)變化圖譜。
體外 T 細胞受體 (TCR) 刺激和體內(nèi)病毒誘導(dǎo)的 TCR 激活在小鼠和人類T細胞中均引發(fā)了大量的3D基因組拓撲結(jié)構(gòu)的重塑，并且通常伴隨著基因組染色質(zhì)可及性和基因表達的變化 100,101,102,103,104,105,106 。刺激誘導(dǎo)的動態(tài)變化基因調(diào)控元件區(qū)域中富含譜系分化特異的轉(zhuǎn)錄因子，尤其在較少的尺度（<200kb）中最為明顯 100,101,103,106 。在人類 T 細胞中，當(dāng)初始T細胞被激活后，起初（0–4 h）TAD 結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定，但在隨后的時間點中逐漸顯示出明顯的動態(tài)變化103,104。最近的一項研究表明，T細胞在激活后72小時發(fā)生全基因組范圍內(nèi)的TAD分區(qū)，導(dǎo)致比靜息態(tài)T細胞中的TAD結(jié)構(gòu)域更多但更小 104 。這種增加的絕緣區(qū)域可以通過促進局部增強子-啟動子的相互作用頻率，來支轉(zhuǎn)錄程序的快速激活，這種現(xiàn)象在活化的 B 細胞中也有報道 107 。據(jù)報道，在T 細胞激活期間，3D基因組中A 和 B 區(qū)室的轉(zhuǎn)變是適度的 103,104 ，盡管這些分析只考慮了A/B區(qū)室轉(zhuǎn)換的區(qū)域。然而，即使在沒有廣泛的A/B區(qū)室轉(zhuǎn)換的情況下，A/B區(qū)室內(nèi)染色質(zhì)互作的動態(tài)變化也是大量存在的，正如小鼠 T 細胞和 B 細胞中 H1 接頭組蛋白缺失所揭示的那樣 47,95 。CD8+ T 細胞中H1接頭組蛋白的缺失會導(dǎo)致染色質(zhì)解離和染色質(zhì)區(qū)室互作強度的廣泛變化，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)基因的過早去阻遏 47 。此外，在人類T 細胞激活之前，一些快速反應(yīng)基因會預(yù)先定位在細胞核的內(nèi)部，而晚期反應(yīng)基因則通常會從核纖層中釋放出來 108 。 因此，A 和 B 區(qū)室化可以為基因的表達提供一個核框架，以平衡快速響應(yīng)能力和防止過早激活 109 。
細胞因子在驅(qū)動T細胞亞型分化的過程中發(fā)揮著重要作用。例如，初始CD4+ T 細胞在細胞因子的作用下可以分化為不同類型的輔助性T細胞（T H 細胞），如 T H 1 細胞、T H 2細胞和T H 17細胞（圖2）。這些 T H 細胞亞群通過分泌各自譜系特異性的細胞因子（如T H 1 細胞分泌的IFNγ）來協(xié)調(diào)應(yīng)對不同類型的病原體 110,111 。小鼠 T 細胞的早期研究表明，在T H 細胞的特征細胞因子和轉(zhuǎn)錄因子基因位點處，其3D 基因組結(jié)構(gòu)發(fā)生了大量的動態(tài)變化。例如，在T H 1 細胞分化過程中會涉及到將 T H 2 細胞相關(guān)基因重新定位到異染色質(zhì)區(qū)域或細胞核的外圍 114,115 ，并且在編碼 IFNγ 的 Ifng 基因位點處形成新的遠程增強子-啟動子相互作用。后者至少部分取決于環(huán)擠壓過程，因為Cohesin或 CTCF的缺失會導(dǎo)致相互作用減少，并且Ifng基因的表達也會降低 116,117 。T H 1細胞誘導(dǎo)T-bet轉(zhuǎn)錄因子也需要增強子-啟動子的遠程互作調(diào)控，可能是通過直接同源二聚化結(jié)合到Ifng基因的啟動子和增強子上 116,118。在T H 2細胞的特征細胞因子基因座中，人們通過3C互作分析發(fā)現(xiàn)細胞因子Il4、Il5和Il13基因的啟動子在空間上是相互靠近的，即使在非淋巴細胞中也是如此，但這些啟動子只與 T 細胞附近的增強子元件發(fā)生相互作用119 。增強子-啟動子的空間物理接近依賴于DNA 結(jié)合蛋白，如 SATB1 、YY1和 GATA3等。GATA3是T H 2 細胞譜系特異性的轉(zhuǎn)錄因子，類似于T H 1細胞的T-bet，當(dāng)其與 DNA結(jié)合時可以形成同源二聚體 120,121,122 。T H 2細胞特異的細胞因子基因座的 3D 染色質(zhì)折疊是否依賴于環(huán)擠壓過程仍然是未知的，盡管 CTCF 缺陷的小鼠初始T 細胞在T H 2細胞誘導(dǎo)條件下未能上調(diào)相應(yīng)細胞因子的表達 123，并且激活后的小鼠 T H 2 細胞的HiC數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，CTCF蛋白（還有 GATA3）可以在全基因組范圍內(nèi)建立調(diào)節(jié)性染色質(zhì)相互作用 124 。有趣的是，有一項研究表明，在初始CD4+ T 細胞中，Ifng 和 Il4 基因之間可能存在染色體間的遠程相互作用，但在T H 1 細胞或 T H 2 細胞分化后似乎會丟失這種相互作用 119。然而，最近在對小鼠和人類細胞的 Hi-C 數(shù)據(jù)分析中，并未檢測到這些特定的染色體間的相互作用 125 。在初始CD4+ T細胞中，非活性的 Ifng 基因座顯示出廣泛的染色質(zhì)相互作用特征，但該特征在小鼠 T H 1 細胞分化的過程中受到嚴格的限制，類似于 B 細胞發(fā)育期間轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)相互作用的“聚焦” 55 。 Ifng 和 Il4 的全基因組相互作用在 T H 1 細胞和 T H 2 細胞中表現(xiàn)出細胞亞型特異性的互作模式，這似乎部分受到STAT家族轉(zhuǎn)錄因子的控制 126 。事實上，STAT4轉(zhuǎn)錄因子的缺失部分阻止了 T H 1 細胞中 Ifng 基因座的 3D 染色質(zhì)重組 126 ，其他研究也表明 STAT家族蛋白參與了控制3D基因組拓撲結(jié)構(gòu) 127,128,129,130 。AP1家族轉(zhuǎn)錄因子BATF是一個響應(yīng)TCR 激活信號的下游轉(zhuǎn)錄因子，研究表明它在活化的小鼠 CD4+ T 細胞中對于CTCF介導(dǎo)的染色質(zhì)環(huán)的形成是必需的，包括調(diào)節(jié)重要細胞因子位點的增強子-啟動子相互作用131 。
初始B細胞接收到同源抗原刺激被激活后，會進一步遷移到生發(fā)中心，在那里接受 T 細胞介導(dǎo)的共刺激信號以經(jīng)歷大規(guī)模的增殖擴增和終末分化為分泌抗體的漿細胞 98 （圖 2）。與 T 細胞相類似，B 細胞的激活也伴隨著廣泛的染色質(zhì)解離與重塑和大規(guī)模的轉(zhuǎn)錄變化 16,51,107,132,133,134 。在此過程中，激活B細胞的3D基因組拓撲結(jié)構(gòu)也顯示出大量的染色質(zhì)重塑16,51,107,132,133,134。體外激活初始B細胞的分析結(jié)果顯示，基因組中遠程染色質(zhì)相互作用顯著減少 107,133,135,136 ，這與B細胞基因組中全局染色質(zhì)的解離相一致 94。通過對染色質(zhì)A 和 B（和 I）區(qū)室進行比較分析，研究發(fā)現(xiàn)在人類初始 B 細胞激活分化的過程中，約有30%的染色質(zhì)區(qū)室發(fā)生了狀態(tài)轉(zhuǎn)變16 。其中，幾乎所有這些動態(tài)改變的區(qū)域 (96%) 都發(fā)生在初始B細胞向生發(fā)中心 B 細胞分化轉(zhuǎn)變期間，并且該區(qū)域富含與生發(fā)中心形成相關(guān)的基因和轉(zhuǎn)錄因子 16 。一致地，在生發(fā)中心 B 細胞或漿細胞分化的過程中，與終末分化成熟相關(guān)的基因座（如Bcl6 和 Prdm1）會形成一個染色質(zhì)區(qū)室規(guī)模的互作中心133,134,135 。重要的是，在小鼠中，生發(fā)中心 B 細胞的分化依賴于 H1 接頭組蛋白，它可以隔離抑制B 區(qū)室中干細胞相關(guān)基因的表達 95。在 B 細胞激活和成熟過程中，基因組中TAD結(jié)構(gòu)的邊界似乎沒有發(fā)生太大的變化。盡管有一項研究表明，在體外激活小鼠初始B細胞后，TAD的數(shù)目、CTCF 介導(dǎo)的染色質(zhì)環(huán)和 TAD 內(nèi)的短程相互作用顯著增加 107 。這種從遠程到短程染色質(zhì)相互作用的轉(zhuǎn)變，與增強子-啟動子互作和轉(zhuǎn)錄程序的增強是密切相關(guān)的，并且需要持續(xù)的能量 (ATP) 輸入以及 MYC等轉(zhuǎn)錄因子的作用 107 。這里，需要注意的是，這種體外 LPS 介導(dǎo)的 B 細胞激活過程并不一定能真實反映體內(nèi)激活的復(fù)雜的生發(fā)中心反應(yīng)。其他研究表明，OCA-B轉(zhuǎn)錄因子可以介導(dǎo)短程的染色質(zhì)相互作用，從而調(diào)控生發(fā)中心 B 細胞分化關(guān)鍵基因的表達 132,137。有趣的是，在小鼠 B 細胞激活的過程中，3D基因組的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生了兩次動態(tài)轉(zhuǎn)變：一次在第一次細胞分裂之前，另一次在細胞終末分化期間 136。
總之，這些研究表明，與先天免疫細胞相比，淋巴細胞的激活往往伴隨著廣泛的多層級3D基因組拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，以適應(yīng)大規(guī)模的染色質(zhì)解離與重塑、細胞增殖和炎癥轉(zhuǎn)錄程序的協(xié)調(diào)建立。驅(qū)動這些染色質(zhì)拓撲結(jié)構(gòu)的變化會涉及到環(huán)擠壓因子、譜系特異性轉(zhuǎn)錄因子和信號響應(yīng)性轉(zhuǎn)錄因子之間復(fù)雜的相互作用（圖 4）。
基因組拓撲結(jié)構(gòu)與疾病
免疫細胞介導(dǎo)的疾病
許多主要的人類疾病都是由免疫細胞的功能異常所引起的 4 。例如，自身或無害抗原對T細胞的異常激活可以分別導(dǎo)致自身免疫性疾病 110 或過敏性疾病的發(fā)生 138 。淋巴細胞或髓系細胞的慢性或異常刺激可導(dǎo)致免疫細胞產(chǎn)生不必要的可塑性，從而分化為功能失調(diào)的細胞表型 110,139，例如巨噬細胞重編程或 T 細胞耗竭可導(dǎo)致抗腫瘤免疫能力失調(diào) 140 。基因表達的3D染色質(zhì)空間互作異常通常與人類疾病的發(fā)生相關(guān) 141，包括免疫相關(guān)疾病。在此，人們提出了兩種不同的研究場景（圖 5）。在第一種研究場景中，基因組遺傳變異或表觀遺傳信息（如DNA甲基化的改變）的改變影響了轉(zhuǎn)錄因子或環(huán)擠壓蛋白的結(jié)合，從而破壞了3D基因組的染色質(zhì)構(gòu)象和轉(zhuǎn)錄控制，導(dǎo)致免疫細胞分化障礙、功能異常。其中，一個典型的例子是與哮喘易感性相關(guān)的 17q21 SNP突變，哮喘是一種常見的慢性炎癥性疾病，該突變與T H 2 細胞的活性增強相關(guān)，從而促進了哮喘的發(fā)生。研究表明，這些 SNP 突變可以改變 CD4+ T 細胞中ORMDL3基因附近的 CTCF 結(jié)合位點，從而導(dǎo)致形成新的增強子-啟動子相互作用，并增強了ORMDL3基因的表達 142 。ORMDL3表達水平的增加進一步抑制了 IL-2 的產(chǎn)生，而IL-2 是 T H 細胞功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)細胞因子。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，自身免疫性疾病相關(guān)的幾個風(fēng)險 SNP 位于 TNFAIP3 基因位點中，該基因可以編碼負調(diào)節(jié)促炎性 NF-κB 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的 A20 蛋白 143 。 研究表明，這些與TNFAIP3 相互作用的位于調(diào)控區(qū)域中的SNP突變可以阻礙轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，同時在人原代CD4+ T 細胞中發(fā)現(xiàn)3D 染色質(zhì)折疊的紊亂和基因表達水平的降低 144,145,146 。同樣的，人們還發(fā)現(xiàn)，與免疫疾病相關(guān)的遺傳變異會損害人嗜中性粒細胞中PU.1轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，從而導(dǎo)致異常的增強子-啟動子相互作用和基因表達異常 147 。有趣的是，與自身免疫性1型糖尿病相關(guān)的染色質(zhì)區(qū)域，只會在疾病易感性的 NOD 小鼠的 3D 核空間中發(fā)生聚集，這表明基因的遺傳變異可能會導(dǎo)致 3D 基因組的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生廣泛的變化，從而共同增加了疾病的易感性 148 。
基因遺傳變異影響3D基因組拓撲結(jié)構(gòu)的第二種研究情景是，編碼重要轉(zhuǎn)錄因子或環(huán)擠壓蛋白的基因的蛋白編碼序列發(fā)生了突變。其中，一個典型的例子是 FOXP3轉(zhuǎn)錄因子，它是免疫抑制性調(diào)節(jié)性 T 細胞分化至關(guān)重要的轉(zhuǎn)錄因子，研究表明它可以通過介導(dǎo)增強子-啟動子相互作用來調(diào)控其靶基因的表達 149 。FOXP3的突變可能會影響其調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)致FOXP3在小鼠模型中會被異常的招募到T H 2 型細胞因子基因座上 150。具體的，突變的FOXP3會重新構(gòu)建局部的3D 染色質(zhì)折疊，以促進2型細胞因子基因表達的激活，從而產(chǎn)生功能失調(diào)的調(diào)節(jié)性 T 細胞，并導(dǎo)致嚴重的自身免疫性疾病 150 。
免疫細胞惡性腫瘤
在上述第二種研究場景中，基因的遺傳變異也可能會導(dǎo)致免疫細胞的惡性轉(zhuǎn)化，從而引發(fā)白血病或惡性淋巴瘤等（圖5）。研究表明，癌癥中的體細胞突變和結(jié)構(gòu)變異并不是隨機分布的，而且常常與TAD 邊界相重疊 151。特定遺傳變異改變3D染色質(zhì)互作結(jié)構(gòu)的典型例子是急性 T 細胞白血病 (T-ALL) 的發(fā)生，在T-ALL中，人們發(fā)現(xiàn)TAD結(jié)構(gòu)域邊界的反復(fù)微缺失，會導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)域間的絕緣作用減弱和原癌基因如 LMO2 或 TAL1 的異常表達上調(diào)（參考文獻. 152 ）。類似地，在B 細胞前體急性白血病中，TAD 邊界的缺失會促進異常的遠程染色質(zhì)相互作用，并增加白血病驅(qū)動基因 FLT3 的表達（參考文獻 153 ）。在 Ph 樣 ALL 中，GATA3 基因中的一個內(nèi)含子SNP突變產(chǎn)生了一個新的增強子元件，從而異常地激活了GATA3的表達。具體的，GATA3表達水平的升高誘導(dǎo)了全基因組水平的 A/B 染色質(zhì)區(qū)室化和染色質(zhì)環(huán)的形成，從而將CRLF2 癌基因定位在附近的超級增強子處 154 。同樣的，一段白血病保護性5bp區(qū)域的缺失，會產(chǎn)生一個 MEF2 結(jié)合位點，從而導(dǎo)致局部的基因組折疊改變和 AXIN2 腫瘤抑癌基因表達的上調(diào)155。在白血病和淋巴瘤中，染色體重排通常會將異位增強子轉(zhuǎn)移到致癌基因所在的 TAD 結(jié)構(gòu)域中（被稱為“增強子劫持”），從而異常激活致癌基因的表達，導(dǎo)致癌癥的發(fā)生 156 。一個典型的例子是急性髓性白血病 (AML) 中的染色體倒位和易位，它們將 GATA2 增強子重新定位在 EVI1 TAD 內(nèi)，從而產(chǎn)生新的增強子-啟動子相互作用，導(dǎo)致EVI1 致癌基因表達上調(diào)和 GATA2 單倍劑量不足，最終共同導(dǎo)致了癌癥的發(fā)生 157 。
然而，癌癥中特定 TAD 邊界絕緣作用的減弱并不總是與邊界處的基因序列改變相關(guān)。在 T-ALL 中，人們已經(jīng)鑒定到了反復(fù)發(fā)生的 TAD 融合事件，包括攜帶 MYC 致癌基因的 TAD 融合，使得來自鄰近 TAD內(nèi)的超級增強子能夠接觸 MYC 并上調(diào)其表達 158 。盡管 NOTCH 轉(zhuǎn)錄因子（見下文）或組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶 NSD2（它們是白血病和淋巴瘤的致癌驅(qū)動因素）促進了局部染色質(zhì)可及性的增加，但這種癌癥特異性 CTCF在白血病細胞中的潛在招募機制仍不清楚 159,160 。對神經(jīng)膠質(zhì)瘤的研究提供了另一種潛在的作用機制，研究表明異檸檬酸脫氫酶 1 (IDH1) 或 IDH2 的突變會損害 TET 介導(dǎo)的DNA去甲基化過程，從而導(dǎo)致TAD 邊界產(chǎn)生高甲基化修飾，這些甲基化修飾會損害 CTCF蛋白的結(jié)合，并因此抑制了TAD結(jié)構(gòu)的局部絕緣效應(yīng)。進一步的，這導(dǎo)致了血小板衍生生長因子受體-α (PDGFRA) 致癌基因與鄰近 TAD 中的增強子之間形成了新的染色質(zhì)相互作用，導(dǎo)致致癌基因異常過度表達 161 。鑒于在 AML中經(jīng)常觀察到IDH1和IDH2基因的突變 162 ，因此，類似的機制可能與白血病的發(fā)生相關(guān)。其他描述的機制包括 ncRNA 的異常表達，它可以募集 CTCF 以促進 AML 中的 TAD 絕緣作用和驅(qū)動致癌基因的表達163 。3D基因組折疊的改變也發(fā)生在 B 細胞淋巴瘤中 16,164,165 ，盡管這些是如何發(fā)生的以及它們是否在功能上相關(guān)仍有待確定。
盡管目前確定3D基因組拓撲結(jié)構(gòu)的改變與腫瘤克隆選擇性優(yōu)勢之間的因果關(guān)系仍然具有挑戰(zhàn)性，但是調(diào)控3D基因組組織結(jié)構(gòu)相關(guān)蛋白的突變（或缺失）可能是惡性免疫細胞中基因組錯誤折疊的基礎(chǔ)。其中，最突出的例子是Cohesin 蛋白復(fù)合體成員的經(jīng)常性突變。研究發(fā)現(xiàn)，在AML患者中Cohesin蛋白表現(xiàn)出異常高的突變頻率 162,166,167 。在體內(nèi)，造血系統(tǒng)中Cohesin蛋白的缺失會導(dǎo)致造血祖細胞群的組成顯著改變，其自我更新能力增強，分化潛能降低 168,169,170,171,172。其中，一種解釋可能是Cohesin缺陷型小鼠造血祖細胞和Cohesin突變型AML 細胞對炎癥信號的反應(yīng)能力發(fā)生了改變 90,173 ，因為炎癥信號是祖細胞分化的關(guān)鍵驅(qū)動因素 174 。其他提出的機制包括Cohesin缺陷型細胞中重要轉(zhuǎn)錄因子（如 HOXA9 或 RUNX1 ）的染色質(zhì)結(jié)合發(fā)生了改變168,169,170 。此外， Cohesin復(fù)合物中STAG2亞基的缺陷會導(dǎo)致小鼠模型中的B 細胞發(fā)育異常，這歸因于Ebf1轉(zhuǎn)錄因子基因座處的3D染色質(zhì)組織的改變，可能導(dǎo)致了Ebf1 激活的受阻 175 。除了AML中的突變外，在小鼠生發(fā)中心 B 細胞中，Cohesin復(fù)合物亞基SMC3單等位基因的缺失會導(dǎo)致B細胞的過度增殖和漿細胞分化受損，從而導(dǎo)致淋巴瘤的形成 176 。具體的，SMC3表達水平的降低會導(dǎo)致TAD內(nèi)相互作用的顯著減少，從而削弱了腫瘤抑制基因的增強子-啟動子相互作用 176 。CTCF表達水平的降低在超二倍體兒童 ALL 中也很常見，這與 TAD 邊界周圍的全基因組轉(zhuǎn)錄失調(diào)相關(guān)，可能是導(dǎo)致白血病發(fā)生的重要原因177 。此外，研究還發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白SATB1表達水平的降低或基因組結(jié)合受損與AML 和皮膚 T 細胞淋巴瘤的致癌轉(zhuǎn)化相關(guān) 178,179 ，可能是通過遠程基因互作調(diào)控來實現(xiàn)的 180 。
在白血病或淋巴瘤中，其他染色質(zhì)相關(guān)蛋白的突變也可能會影響免疫細胞的3D基因組組織，并促進其惡性轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，H1接頭組蛋白的突變在淋巴瘤中是很常見的。H1接頭組蛋白的缺失會破壞小鼠生發(fā)中心B細胞的3D基因組組織，導(dǎo)致顯著的染色質(zhì)解離和大規(guī)模的A/B染色質(zhì)區(qū)室轉(zhuǎn)變。這種染色質(zhì)的錯誤折疊促進了在發(fā)育上被沉默的干細胞程序的去抑制，從而導(dǎo)致免疫細胞的惡性轉(zhuǎn)化 95。EZH2是Polycomb復(fù)合物的重要組成成分，研究發(fā)現(xiàn) EZH2的功能獲得性突變在非霍奇金淋巴瘤中是很常見的，它的突變會導(dǎo)致組蛋白H3K27me3介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄沉默增加。有趣的是，這些表觀遺傳修飾和轉(zhuǎn)錄程序的變化在特定的 TAD 中以協(xié)調(diào)一致的方式發(fā)生，導(dǎo)致 TAD 內(nèi)相互作用的改變并抑制腫瘤抑制基因的表達 181。 Lamin B1是細胞核膜的一個組成部分，在 AML 中經(jīng)常被刪除。在人類造血干細胞和祖細胞中，核纖層蛋白 Lamin B1 的缺失不會影響3D基因組的染色質(zhì)區(qū)室和 TAD結(jié)構(gòu)域，而是會導(dǎo)致編碼關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（包括 EBF1 和 HOXB）的基因座處增強子-啟動子環(huán)的局部重塑。這些重要轉(zhuǎn)錄因子表達的改變可能會導(dǎo)致骨髓瘤的形成 182 。
Notch信號通路對T 細胞的正常發(fā)育至關(guān)重要，大量研究表明NOTCH 蛋白的激活突變在惡性淋巴腫瘤中普遍存在。促癌的NOTCH 突變蛋白可以結(jié)合到增強子上并增加其染色質(zhì)互作，形成相互作用調(diào)節(jié)元件聚集的3D染色質(zhì)互作調(diào)控中心183。強染色質(zhì)交互的3D互作中心可能會進一步促進關(guān)鍵致癌基因如MYC的表達 183 。同時，研究還發(fā)現(xiàn)藥理學(xué)抑制NOTCH蛋白的表達會破壞NOTCH調(diào)節(jié)位點的 TAD 內(nèi)相互作用，但對全局 3D 基因組組織沒有太大的影響 158,183 。值得注意的是，NOTCH突變的促癌作用需要轉(zhuǎn)錄因子TCF1在造血祖細胞中誘導(dǎo) T 細胞特異的轉(zhuǎn)錄程序，這涉及到TCF1介導(dǎo)的增強子-啟動子相互作用的改變 184 。NOTCH突變的T-ALL細胞經(jīng)常會獲得非遺傳性的抵抗NOTCH抑制劑的耐藥性。有趣的是，耐藥的T-ALL細胞相對于正常細胞在染色質(zhì)區(qū)室、TAD結(jié)構(gòu)域和增強子-啟動子相互作用水平上顯示出實質(zhì)性的變化，這些變化是由于B細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子EBF1的異常抑制性表達所驅(qū)動的 185 。建立B細胞調(diào)節(jié)程序可以避免對致癌突變NOTCH的依賴，這表明獲得新的3D染色質(zhì)結(jié)構(gòu)可能是腫瘤細胞非遺傳耐藥性的基礎(chǔ)。
染色體易位產(chǎn)生的融合蛋白是白血病發(fā)生的常見驅(qū)動因素之一，通常將轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與含有內(nèi)在無序區(qū)域（IDRs）的蛋白質(zhì)融合在一起。 IDR區(qū)域可以在相分離的作用下形成相分離凝聚物，與 3D 基因組的組織結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián) 25。NUP98–HOXA9轉(zhuǎn)錄因子的融合會導(dǎo)致白血病的發(fā)生，它們通過IDR區(qū)域介導(dǎo)的相分離作用形成核凝聚物，這對于NUP98-HOXA9染色質(zhì)的結(jié)合、超增強子的形成，以及在原癌基因處建立不依賴于CTCF的染色質(zhì)環(huán)是至關(guān)重要的186 。因此，相分離可能是驅(qū)動3D基因組染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重組的一個強有力因素，在惡性腫瘤細胞中被利用來維持癌基因的表達。
總之，這些研究表明，3D基因組拓撲結(jié)構(gòu)的破壞可能是基因異常表達的重要因素，與免疫細胞功能障礙和骨髓或淋巴祖細胞的惡性轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。
參考文獻：Cuartero S, Stik G, Stadhouders R. Three-dimensional genome organization in immune cell fate and function. Nat Rev Immunol. 2023 Apr;23(4):206-221. doi: 10.1038/s41577-022-00774-5.
