综述：造血干细胞中的三维基因组重组

本综述系统探讨了造血干细胞（HSCs）三维（3D）基因组结构在发育、分化、静息-激活转换及衰老过程中的动态重组及其功能意义。文章重点阐述了染色质构象捕获技术（如Hi-C）的最新进展，揭示了CTCF、黏连蛋白（cohesin）等关键因子介导的拓扑关联域（TADs）和染色质环在基因调控、谱系决定及血液疾病中的核心作用，为靶向治疗血液恶性肿瘤提供了新视角。

　　

引言

造血干细胞（HSCs）是具有自我更新能力和多向分化潜能的成体干细胞，负责终生维持血细胞生成。HSCs具有高度异质性，主要包括长期造血干细胞（LT-HSCs）和短期造血干细胞（ST-HSCs）。前者处于深度静息状态，具有强大的自我更新能力；后者则更易于激活并进入细胞周期，负责短期的造血维持。尽管它们在功能上存在显著差异，但其核心转录因子网络却高度相似，这表明HSCs的功能特性可能更多地受到表观遗传调控机制而非转录因子表达水平的支配。

近年来，染色质三维（3D）组织结构的研究取得了突破性进展。三维基因组组织通过精确调控增强子与启动子之间的空间 proximity，在基因表达的时空调控中扮演着决定性角色。随着染色质构象捕获技术（如Hi-C）的进步，尤其是低细胞起始量的技术（如tagHi-C）的出现，使得在稀有细胞群体（如HSCs）中精细解析3D基因组结构成为可能。

3D基因组组织：概述

细胞核内的基因组并非随机缠绕，而是呈现出高度有序的层级式空间组织结构，这对基因的精准调控至关重要。

染色体领土

每条染色体在细胞核内占据着各自独立的空间区域，称为染色体领土。通常，转录活跃的染色体倾向于位于核中央，而转录沉默的则靠近核膜。

A/B区室

在更大的尺度上，基因组被划分为A和B两种区室。A区室是基因富集、转录活跃的开放染色质区域；而B区室则是基因稀疏、转录沉默的异染色质区域。

拓扑关联域（TADs）

TADs是尺寸在兆碱基级别的自相互作用染色质区域，其内部序列的相互作用频率远高于域外区域。它们由CTCF和黏连蛋白复合物（包含SMC1、SMC3、RAD21和STAG等亚基）在其边界处锚定，形成染色质环结构，从而将增强子-启动子的相互作用限制在特定的功能域内，防止异常激活。TAD结构在不同细胞类型和物种间相对保守。

染色质环

染色质环是更精细尺度的结构，它能将线性距离上遥远的基因调控元件（如增强子）与目标基因的启动子拉近到空间上相邻的位置，从而直接调控基因的转录。除了CTCF和黏连蛋白，其他因子如锌指蛋白ZNF143和中介体复合物（Mediator complex）也在此过程中发挥重要作用。

研究技术：染色质构象捕获分析

研究这些3D结构的技术主要包括：

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  3C（染色体构象捕获）：用于检测一对特定基因位点之间的相互作用（“一对一”）。

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  4C：用于检测一个特定位点与全基因组所有其他位点之间的相互作用（“一对全”）。

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  Hi-C：提供全基因组范围内所有位点间相互作用的全景式图谱（“全对全”），是当前研究3D基因组的主流技术。

3D基因组重组在HSCs中的功能意义

HSCs的生命周期，包括其分化、激活、发育转变和衰老，都伴随着3D基因组的动态重组。

谱系承诺与分化

当HSCs向特定血细胞谱系分化时，其3D基因组会发生大规模的重组以激活谱系特异性基因程序。一个经典的例子是β-珠蛋白基因簇的动态调控。该基因簇的位点控制区（LCR）作为一个超级增强子，在发育过程中会动态地与不同的β-样珠蛋白基因（胚胎期的ε、胎儿期的γ、成人期的β）的启动子形成染色质环，从而精确控制血红蛋白的转换。研究表明，在LT-HSCs阶段，LCR的部分增强子区域就已经处于开放状态，随着向红系祖细胞（MEP）和成红细胞的分化，开放性逐渐扩展至整个LCR区域，呈现出一个“预先准备”的状态，为最终的基因爆发性表达奠定基础。

全基因组水平的研究进一步揭示，尽管HSCs分化为功能各异的成熟血细胞，但A/B区室层面的变化相对较小（仅约10%的基因组区域发生转换）。更显著的变化发生在TAD和染色质环水平。例如，在造血分化中，关键的“七价”转录因子（如FLI1, ERG, GATA2, RUNX1, TAL1, LYL1, LMO2）的启动子区域会动态地与数十个远端顺式调控元件（CREs）形成复杂的环状结构，其复杂性随着分化而增加。另一个例子是癌基因MYC，其下游的血细胞增强子簇（BENC）中包含多个增强子模块，在HSCs、祖细胞和白血病干细胞中被差异性地使用，以精细调控MYC的表达水平。

HSC静息与激活

LT-HSCs的静息状态对其长期维持至关重要。研究发现，尽管LT-HSCs和ST-HSCs的转录组高度相似，但它们的染色质可及性存在差异。在ST-HSCs中，有大量染色质区域变得开放，并且这些区域显著富集CTCF的结合 motif。功能实验证实，敲低CTCF会阻碍LT-HSCs从G₀期向G₁期的转换，延迟细胞周期进入，并抑制其分化。

机制上，CTCF在ST-HSCs中结合到其特异性开放的染色质区域，形成抑制性的染色质环，这些环会靶向并抑制在LT-HSCs中高表达的干细胞相关基因（涉及细胞周期、凋亡、炎症信号和代谢等通路）。这种CTCF介导的3D基因组重组，有效地压制了干性程序，从而将HSCs从静息的LT状态切换到激活的、准备分化的ST状态。

胎儿至成人HSC的转变

胎儿肝脏中的HSCs（FL HSCs）具有高度的增殖和自我更新能力，以快速扩增干细胞池。出生后，HSCs迁移至骨髓（BM），并转变为以静息为主的成人HSC状态，其分化潜能也从淋系/髓系平衡转变为随年龄增长出现的髓系偏态。

这一转变过程伴随着3D基因组的显著重组。与FL HSCs相比，成人BM HSCs表现出更强的区室化和TAD边界强度，这有助于增强基因组结构的绝缘性，防止异常的增强子-启动子互作。同时，超过1000个基因的启动子与增强子之间的染色质环发生了重连。不同的转录因子主导了不同阶段的特异性互作，例如TCF3和MAFB在胎儿HSCs中作用突出，而NR4A1和GATA3在成人HSCs中更为重要。

HSC衰老

HSC衰老表现为重建能力下降、数量增多但功能减退、以及髓系分化偏斜。表观遗传“漂变”被认为是核心机制。研究表明，衰老的HSCs染色质可及性发生了剧烈变化，出现了许多与应激反应相关的“预先准备”的增强子，使其对炎症信号等刺激更加敏感，这可能导致其功能紊乱。

RNA结合蛋白FUS（肉瘤融合蛋白）被发现在衰老的HSCs中表达升高。FUS通过液-液相分离（LLPS）形成生物分子凝聚体，但其功能在衰老细胞中失常。异常FUS凝聚体与CTCF发生强烈相互作用，反而破坏了CTCF的正常结合。CTF结合的减弱导致TAD边界模糊，发生TAD融合事件。位于这些融合TADs内的基因（涉及B细胞分化、细胞周期、炎症信号和HSC衰老）表达发生紊乱，从而驱动了HSCs的衰老表型。

血液疾病中的3D基因组失调

3D基因组结构的稳定性对防止疾病至关重要。CTCF或黏连蛋白（如STAG2）的突变在髓系肿瘤（AML, MDS, MPN）中反复出现，这些突变会阻断分化并增强HSPCs的自我更新能力。

beyond 突变，白血病驱动事件会诱导亚型特异性的3D基因组重组。研究表明，在急性髓系白血病（AML）样本中存在着大量AML特异性的染色质环，这些环形成了增强子-启动子（P-E）或启动子-沉默子（P-S）互作，分别导致癌基因的异常激活或抑癌基因的沉默。结构变异（如倒位、易位）会导致“增强子劫持”（例如inv(16)导致HSF4上调）或“沉默子劫持”（导致JAK1、KMT2C等基因抑制）。此外，AML中的特异性DNA高甲基化也会破坏CTCF结合，进而改变染色质相互作用。值得注意的是，DNA甲基转移酶抑制剂（HMA）处理可以部分逆转这些异常结构，为联合治疗提供了理论基础。

结论与展望

对HSCs中3D基因组重组的研究揭示了其在不同生物学过程中的核心调控作用：谱系分化依赖于TAD和环结构的重组以激活命运决定基因；胎儿至成人的转变涉及更全局性的区室化和TAD绝缘增强以建立静息；静息激活转换则由CTCF介导的精细环重构来压制干性程序；而衰老则表现为TAD融合等结构的渐进式恶化。这些发现不仅深化了我们对造血干细胞生物学的理解，也为通过干预3D基因组结构来治疗血液疾病开辟了新的道路。未来，随着单细胞水平3D基因组学技术（如Droplet-HiC）的不断发展，我们将能在更精密的尺度上解析HSC的异质性，为最终实现精准医疗奠定基础。