新的研究追踪了细胞在人类发育的最早阶段，如何为决定其命运的基因调控决策做好准备。该研究重建了染色体折叠的时间线，这种折叠将远端的DNA调控元件（增强子）与它们的靶基因（启动子）连接在一起。这项发表在《自然-通讯》上的研究，使用了Hi-C（高通量染色质构象捕获）技术，在人类胚胎干细胞（hESCs）分化为神经外胚层（“神经细胞”）或中胚层（“肌肉细胞”）的过程中，绘制了3D染色质结构图谱。该研究发现，拓扑关联结构域（TADs） 和染色质环（将增强子与启动子连接起来）早在基因表达发生变化之前就已形成。这些3D染色质结构为未来的基因调控决策“预先布好了线”。当分化被诱导时（例如，添加Noggin和SB431542以诱导神经外胚层分化），预先形成的环会促进谱系特异性基因（如神经外胚层中的SOX2、PAX6，或中胚层中的Brachyury（T）、MESP1）的转录。作者认为，3D染色质结构的破坏可能导致发育障碍。

3D染色质结构

在人类细胞中，DNA（长约2米）被包装在细胞核内（直径约10微米）。DNA被包装成染色质，并折叠成拓扑关联结构域（TADs）。在TADs内部，增强子（调控远端基因表达的DNA序列）和启动子（基因转录起始的位点）通过染色质环物理地连接在一起。这些染色质环是由CTCF（CCCTC结合因子）和黏连蛋白（Cohesin）介导的。

细胞分化

人类胚胎干细胞（hESCs）是多能干细胞（能够分化成所有三个胚层：外胚层、中胚层、内胚层）。当暴露于特定的生长因子（如Noggin和SB431542）时，hESCs会分化为神经外胚层（“神经细胞”）。当暴露于其他生长因子（如Wnt3a）时，hESCs会分化为中胚层（“肌肉细胞”）。

主要发现

1. 在基因表达变化之前，TADs和染色质环就已形成

在hESCs分化为神经外胚层或中胚层之前，TADs和染色质环（将增强子与启动子连接起来）就已经形成。

2. 当分化被诱导时，谱系特异性基因被激活

当hESCs被诱导分化为神经外胚层时，预先形成的环会促进谱系特异性基因（如SOX2、PAX6）的转录。当hESCs被诱导分化为中胚层时，预先形成的环会促进谱系特异性基因（如Brachyury（T）、MESP1）的转录。

临床意义

1. 发育障碍

TADs或染色质环的破坏可能导致发育障碍，例如：Streeter异常（由PAX6基因的增强子缺失引起）或威廉姆斯综合征（由7q11.23区域的微缺失引起）。

2. 癌症

在癌症中，3D染色质结构常常发生改变（例如，TADs的破坏导致增强子劫持和癌基因的激活）。

未来方向

1 单细胞Hi-C：在分化过程中，对单细胞进行Hi-C分析，以研究TADs和染色质环形成的异质性。
2. TADs的功能验证：使用CRISPR-Cas9破坏TADs，并评估其对细胞分化的影响。
3. 发育中的其他细胞类型：在其他发育谱系中（如内胚层）绘制3D染色质结构图谱。

结论

这项发表在《自然-通讯》上的研究发现，在基因表达发生变化之前，TADs和染色质环（将增强子与启动子连接起来）就已经形成。 这些3D染色质结构为未来的基因调控决策“预先布好了线”。该研究对于理解发育障碍和癌症具有启示意义。