衰老相关SATB1缺失解除CTCF结合位点空间约束并重塑naive CD4+ T细胞三维基因组与促炎转录程序

《SCIENCE ADVANCES》：Aging-associated SATB1 deficiency remodels 3D genome architecture and transcriptional programs in naive CD4+ T cells

　　

精确的三维（3D）基因组组织对于发育过程中的基因表达调控至关重要，但其在与年龄相关的转录变化和生理衰退中的作用仍不清楚。在此，研究人员展示，衰老重塑了鼠naive CD4⁺ T细胞中的染色质构架和基因调控，naive CD4⁺ T细胞是适应性免疫所必需的静息T细胞群体。年老naive CD4⁺ T细胞表现出内在转录重编程，其特征为炎症和T细胞活化相关基因表达增加，使其更易活化。有趣的是，这些变化伴随三维基因组组织的显著改变，包括拓扑关联结构域（topologically associating domain，TAD）边界广泛弱化和增强子-启动子（enhancer-promoter，E-P）广泛重连。机制上，研究人员证明这些年龄相关结构变化部分可归因于染色质组织因子SATB1表达降低。SATB1在年轻naive T细胞中与CCCTC结合因子（CCCTC-binding factor，CTCF）共定位，以空间约束CTCF结合位点。其随年龄下降在不改变CTCF占据的情况下扩展了CTCF介导的相互作用范围，导致染色质构架重塑和促炎及促活化基因上调。naive T细胞中条件性SATB1缺失重现了衰老中观察到的三维基因组和转录变化。研究人员的发现揭示SATB1在维持naive T细胞三维基因组完整性中的关键作用，并提示基因组结构调控异常促进免疫和机体衰老。

研究背景方面，真核基因组在三维（3D）核空间内形成A/B区室、拓扑关联结构域（topologically associating domain，TAD）及增强子-启动子（enhancer-promoter，E-P）互作等层级结构，其精确性对发育期时空基因表达至关重要；其破坏与发育性疾病和癌症相关，但在衰老中的功能意义尚不清楚。细胞衰老模型显示3D基因组重塑，正常机体衰老也在多种组织中出现3D基因组改变，但这些变化是随机性结构完整性衰退还是由特定年龄依赖调控通路导致，以及其对组织特异生理衰退的贡献仍不明确。免疫衰老可增加感染、自身免疫病和癌症风险；naive CD4⁺ T细胞数量随年龄下降较少，但功能改变显著，其分子机制不清。研究人员因此对年轻与年老小鼠naive CD4⁺ T细胞开展多组学和功能研究，发现衰老相关SATB1下降可重塑3D基因组构架和转录程序，使naive CD4⁺ T细胞偏向促炎和促活化状态；该研究将基因组结构调控异常与免疫及机体衰老联系起来，论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。

关键技术方法方面，研究人员以年轻（6–8周）与年老（约18–22个月）C57BL/6雄性小鼠脾脏naive CD4⁺ T细胞为主要样本，并分析已发表的人年轻与年老个体CD4⁺ T细胞单细胞RNA-seq数据；采用RNA-seq、ATAC-seq、H3K27ac CUT&Tag、Hi-C、CTCF/SATB1 CUT&Tag、CoIP-MS，以及CD4⁺ T细胞特异性Satb1条件性敲除（conditional knockout，cKO）、siRNA敲低、HEK293细胞SATB1过表达、dCas9-KRAB增强子沉默和3C-qPCR。

结果部分：
Aging-associated transcriptome changes in naive CD4⁺ T cells。通过流式细胞术和RNA-seq，研究人员发现年老naive CD4⁺ T细胞中2359个基因差异表达，其中1737个上调、622个下调；下调基因富集髓系细胞稳态，上调基因富集炎症反应和T细胞活化，Ccl、Il、Tnf家族及Tbx21、Sos2、Jak、Icos等升高。人单细胞RNA-seq数据呈一致趋势；抗CD3/CD28刺激后年老细胞CD44表达和IL-2产生增加。ATAC-seq和H3K27ac CUT&Tag显示局部染色质可及性和组蛋白乙酰化变化与转录变化相关性弱，提示其非主要驱动因素。

Aged naive CD4⁺ T cells exhibit moderate changes in chromatin compartmentalization。通过Hi-C，研究人员发现年轻与年老细胞P(s)曲线基本一致；约1%和1.4%的10-kb bins分别发生A到B和B到A区室转换。B到A转换区域基因表达中度升高，富集TNF信号通路，包括Naip家族和Rora；但仅121/1616个显著上调基因与B到A转换相关，说明区室化变化仅部分贡献转录变化。

Aged naive CD4⁺ T cells exhibit widespread attenuation of TAD boundaries and increased cross-boundary interactions。通过绝缘指数和pile-up Hi-C分析，研究人员在年轻和年老细胞中分别检测到2705和2655个TAD边界，年老细胞丢失445个、新增395个，总体绝缘强度减弱；TAD内部互作相似，但跨边界互作显著增加，791个边界跨边界互作增强，仅98个减弱，约占30%和4%。结论为衰老广泛削弱TAD边界并增加跨边界染色质互作。

Aging-associated rewiring of E-P interactions promotes proactivation and proinflammatory transcriptional programs。通过Hi-C环分析，年轻和年老细胞分别鉴定5587和5633个染色质环；年老中3249个环增强或获得，2271个减弱或消失。增强环相关基因整体上调，且约33%（577/1737）的衰老上调基因与增强环相关，富集T细胞活化、白细胞分化和炎症。Nfatc1及Ccl位点出现新的远端增强子互作；dCas9-KRAB沉默这些重连增强子可降低靶基因表达。结论为E-P重连促进促活化和促炎转录程序，使年老naive CD4⁺ T细胞预置为高活化状态。

Aged naive CD4⁺ T cells exhibit an extended range of CTCF-mediated chromatin interactions。通过CTCF motif、CTCF CUT&Tag和Hi-C pile-up分析，研究人员发现染色质环主要由CTCF介导。年老细胞中CTCF位点间中心信号减弱、十字形条纹增强，局部条纹延伸可达500 kb；共同CTCF锚定的远端环增强，获得环更长。然而CTCF占据大体不变，仅约25000个CTCF位点中849个增加、1420个减少，且与TAD边界或环变化不相关；未变化CTCF位点也出现范围扩展。结论为CTCF介导相互作用范围扩展并非由CTCF占据改变引起。

Age-related decline in SATB1 expression extends the range of CTCF-mediated chromatin interactions in naive CD4⁺ T cells。通过CoIP-MS，研究人员比较CTCF相互作用蛋白，发现年老中87个增强、16个减少，减少者包括SATB1、SAFB2、STAG1、HDAC2、RAD18及核纤层相关蛋白。CUT&Tag显示SATB1有8513个峰，其中6679个与CTCF重叠，共占显著；SATB1 mRNA和蛋白随年龄下降，基因组占据降低。将位点分为CTCF-only、SATB1-only和SATB1/CTCF共占后，共占位点年轻呈fountain样，年老出现十字形并增强远端互作，近端侧翼环减弱。结论为SATB1是年龄依赖的CTCF功能和基因组构架调节因子，其下降解除空间约束。

Ectopic expression of SATB1 constrains CTCF-mediated chromatin interactions。通过在HEK293细胞过表达SATB1，研究人员发现其产生大量SATB1结合峰但不改变CTCF占据；Hi-C显示SATB1/CTCF共占位点的染色质互作范围缩短，条纹强度和长度降低，而CTCF-only位点影响较小。结论为SATB1可空间约束CTCF介导的染色质互作。

SATB1 knockout recapitulates aging-associated 3D genome organization and transcriptome changes in naive CD4⁺ T cells。通过CD4⁺ T细胞特异性Satb1 cKO小鼠，研究人员发现其出现naive CD4⁺ T细胞减少、记忆T细胞增加、T细胞活化增强和对刺激高反应性，转录组与年老野生型naive CD4⁺ T细胞相似。Hi-C显示A/B区室转换、TAD边界弱化和跨边界互作增加与衰老重叠，染色质环819个增强、471个减弱，增强环相关基因上调并富集T细胞活化和炎症；CTCF位点互作模式类似衰老，Nfatc1和Ccl位点出现新E-P互作。成熟naive CD4⁺ T细胞中siRNA敲低SATB1约50%引起228个基因下调和468个基因上调，炎症和活化通路富集；3C-qPCR显示Ccl和Il1b位点E-P互作增强，Nfatc1不变。结论为SATB1缺失可重现衰老相关3D基因组和转录变化，并直接调控成熟naive T细胞。

讨论部分，研究人员指出衰老涉及转录组和表观遗传广泛改变，3D基因组组织是基因表达和基因组稳定性的重要调控层；本研究显示naive CD4⁺ T细胞发生位点特异性、年龄相关结构重塑，尤其在炎症和T细胞活化关键位点发生E-P重连，增强其表达并使年老naive CD4⁺ T细胞倾向异常活化。与既往pro-B细胞中WAPL升高导致cohesin占据下降、微胶质细胞中CTCF结合可及性下降等机制不同，本研究显示年老naive CD4⁺ T细胞中CTCF占据无明显变化，而是SATB1显著下降；SATB1广泛与CTCF共定位，可能约束CTCF介导的长程互作，其下降使CTCF结合位点更易与远端区域互作。讨论还指出SATB1在T细胞发育及naive CD8⁺ T细胞中维持“年轻”状态的重要作用，人类队列中SATB1是免疫衰老标志之一；机制上SATB1可能结合核小体核心序列或作为核基质组分束缚CTCF结合位点。研究提出恢复SATB1表达可能使衰老naive CD4⁺ T细胞基因组构架和功能年轻化，但本研究机制分析仅限小鼠，SATB1在人免疫衰老中的直接功能尚待实验确定。研究结论翻译：研究人员的发现揭示SATB1在维持naive T细胞三维基因组完整性中的关键作用，并提示基因组结构调控异常促进免疫和机体衰老；这些发现确立基因组结构改变是免疫和机体衰老的分子驱动因素之一。