编辑推荐：
本研究揭示了NIPBL（Nipped-B-like protein）单倍剂量不足导致三维基因组拓扑结构紊乱，进而激活长末端重复序列（LTR）作为替代启动子（altP）驱动致癌基因表达的分子机制。研究人员通过整合转录组与三维基因组架构分析，发现TAD（拓扑关联域）层级结构的破坏会解除对LTR的转录抑制，通过重组增强子-启动子互作促进肿瘤发生。该研究为理解转座元件（TE）调控和癌症转录异质性提供了新视角。
在哺乳动物基因组中，近50%的序列由转座元件（TE）构成，这些"基因组暗物质"在进化过程中被驯化为重要的调控元件。然而，TE的异常激活与癌症发生密切相关，特别是长末端重复序列（LTR）因其携带完整的RNA聚合酶II结合位点，更易被劫持为致癌基因的替代启动子（altP）。尽管DNA甲基化和染色质修饰已知可抑制TE活性，但三维基因组结构如何调控TE表达仍是未解之谜。来自纪念斯隆-凯特琳癌症中心等机构的研究团队在《Nature Genetics》发表的研究，首次揭示了拓扑关联域（TAD）层级结构对LTR元件的转录调控作用。
研究人员采用多组学整合分析策略，关键技术包括：1）可诱导shRNA系统模拟NIPBL单倍剂量不足；2）CAGE-seq（cap analysis of gene expression sequencing）精确捕捉转录起始位点；3）Hi-C解析三维基因组结构变化；4）CRISPRi（CRISPR interference）靶向验证增强子-启动子互作；5）TCGA（The Cancer Genome Atlas）临床数据关联分析。
主要研究结果
Haploinsufficient loss of NIPBL induces global altP activation
通过多西环素诱导的shRNA系统，研究人员在黑色素瘤细胞中实现NIPBL部分敲除（mRNA降低34-56%）。CAGE-seq分析发现，NIPBL缺失特异性激活了内含子和远端基因间区的替代启动子，如ALK基因内含子19来源的致癌亚型ALKAT1。这些altP产生的成熟转录本通过剪接机制与下游外显子连接，形成功能性mRNA。
NIPBL loss activates altP, arising from LTR with open chromatin features
表观基因组分析显示，被激活的altP具有开放染色质特征（H3K4me1/H3K27ac富集），但缺乏DNA甲基化抑制。Motif分析发现黑色素瘤关键转录因子MITF在这些区域特异性富集。值得注意的是，45-48%的altP位于LTR元件内，显著高于启动子区（<3%），提示LTR具有独特的转录激活潜能。
NIPBL partial loss leads to decrease in hierarchical TAD structures
Hi-C分析揭示，NIPBL缺失导致高级别TAD层级结构（≥level 3）减少38.2%，伴随绝缘评分下降。典型案例如ALKAT1位点，原始的五级嵌套TAD结构退化为四级，使altP从TAD中心重新定位至边界区域，这种空间位置变化与转录激活密切相关。
Promiscuous gene activation through retargeting of enhancers to altP
4C-seq和HiChIP技术证实，TAD结构破坏后，远端增强子的长程互作减弱，而近端增强子（如ALK基因内含子4的H3K27ac富集区）被重新招募至altP。CRISPRi实验证明，这些近端增强子对ALKAT1的表达至关重要，抑制其活性可使转录水平降低70%。
NIPBL loss-mediated altP usage from LTR can give rise to oncogene expression
TCGA数据分析显示，高表达ALKAT1的黑色素瘤样本中，NIPBL功能失活突变显著富集（P<0.05）。在患者来源的SKMEL-23细胞系中，MITF与近端增强子的结合强度与经典黑色素基因TYR启动子相当，敲低MITF可显著抑制ALKAT1表达。
这项研究建立了三维基因组拓扑结构与TE调控的因果关系，提出"TAD层级破坏-LTR激活-致癌基因表达"的肿瘤发生新机制。不同于传统的DNA甲基化抑制模型，该研究强调开放染色质区域的TE仍受空间结构约束，只有拓扑紊乱才会解除这种抑制。这一发现不仅为Cornelia de Lange综合征（CdLS）的分子机制提供新解释，也为癌症中转录异质性的起源提供了理论框架。从转化医学角度看，针对cohesin-NIPBL-MITF通路的干预可能成为抑制TE介导致癌过程的新策略。
生物通微信公众号
生物通 版权所有
