Nat Cell Bio丨揭示衰老过程中B细胞发育的三维染色质结构重组调控机制

文章索引

【题目】Three-dimensional chromatin reorganization regulates B cell development during ageing

【期刊】nature cell biology

【发表时间】2024年6月12日

【IF】17.3（1区）

【单位/通讯作者】美国国立衰老研究院分子生物与免疫实验室Ranjan Sen团队

2024年6月12日，美国国立衰老研究院分子生物与免疫实验室Ranjan Sen团队在《nature cell biology》发表题为“Three-dimensional chromatin reorganization regulates B cell development during ageing”的研究文章。研究发现大规模的染色质重组区分了年轻和老年小鼠骨髓前体B细胞（pro-B细胞），伴随的遗传修饰变化导致区室水平的相互作用增加，而拓扑相关结构域（Topologically associating domain，TAD）内的DNA互作减少。揭示了三维染色质重组是导致老年骨髓前体B细胞表型异常的主要驱动因素。

研究成果

1.  老年前体B细胞的区室变化

在老年Rag2缺陷小鼠中，Pro-B细胞数量比年轻小鼠低约两倍。作者通过Hi-C技术分析三维染色质组织情况，结果显示老年小鼠中Pro-B细胞染色质区室水平的相互作用增加，而近距离的TADs和loops结构相互作用减少。

接着，作者通过ChIP-seq技术的分析结果表明，从A到B区室转换的区域H3K27ac水平降低，反之B到A的区域H3K27ac水平增加，H3K27me3未见显著变化。

然后通过RNA-seq分析的结果显示从B到A区室转换的区域基因表达水平升高，而从A到B的转换对基因表达影响不显著。

图1.小鼠骨髓B祖细胞中年龄相关的染色质区室变化

2.Ebf1基因受区室变化影响

作者通过Hi-C、ChIP-seq和RNA-seq分析，研究发现关键转录因子Ebf1的表达降低，伴随H3K27ac水平下降，并且Ebf1位点从细胞核中心移向核周边，而Foxo1基因的位置和区室化不受影响。这些变化可能与老化过程中pro-B细胞发育受损有关。

图2.减少pro-B细胞中Ebf1基因表达部分模拟了衰老表型

3.衰老pro-B细胞中TAD的转变

为探究衰老对pro-B细胞基因组TADs和基因表达的影响。作者通过以上三种技术分析，结果发现在老年小鼠pro-B细胞中，有240个TADs的强度显著降低（包括Igh、Ebf1和Pax5基因所在的TAD），这些区域显示出H3K27ac水平和Rad21水平降低，这与Wapl表达增加有关，导致多个TADs内基因表达水平降低。进一步实验表明，增加Wapl表达可以导致与衰老相关的TAD结构变化和基因表达模式。

HiChIP技术分析结果显示，老年pro-B细胞中年轻或老年特异性H3K27ac位点的染色质环化相互作用分别减少或增加。这些结果表明，Wapl水平的改变和H3K27ac动态变化在衰老过程中对pro-B细胞的TAD结构和功能产生了重要影响。

图3. pro-B细胞中TADs与年龄相关的变化

图4.衰老过程中H3K27ac介导的染色质重组

4.Igh强度的减少

上一章节研究发现Igh在老年pro-B细胞中变化最显著。作者通过Hi-C和FISH等实验方法，研究发现老年pro-B细胞中Igh TAD的互作显著降低，伴随H3K27ac和Rad21水平的下降。进一步分析表明部分由Ebf1基因表达减少介导。

作者通过功能性分析，结果显示老年pro-B细胞中远端的VH（可变区基因）基因片段的重拍频率和VDJ重组产物减少，而DH（多样区基因）基因片段的使用几乎不受影响。

综上，表明在衰老过程中，Igh基因座5'和3'端之间的相互作用减少，影响了远端VH基因片段的使用和重组频率。

图5.染色质结构在Igh位点中与年龄相关的变化

图6.与年龄相关的Igh基因座收缩受损的功能性后果

讨 论

通过Hi-C、ChIP-seq、HiChIP和RNA-seq等技术加持，作者发现B细胞发育关键阶段的染色质结构在衰老过程中发生了大规模的重组，这些变化伴随着组蛋白修饰和基因表达的改变。该研究揭示了染色质结构在衰老过程中对B细胞发育的关键影响，提出了染色质三维重组作为衰老过程中B细胞表型变化的主要驱动力。这为理解衰老过程中免疫功能下降的机制提供了新的视角，并为未来开发针对衰老相关免疫缺陷的干预措施提供理论基础。

参考文献 

Ma F, Cao Y, Du H, et al. Three-dimensional chromatin reorganization regulates B cell development during ageing. Nat Cell Biol. 2024;26(6):991-1002.