伯晓晨/陈河兵团队总结三维基因组与辐射损伤

近日，军事科学院军事医学研究院伯晓晨、陈河兵课题组在CellPress细胞杂志旗下的权威期刊Trends in Genetics上在线发表题为Ionizing radiation damage and repair from 3D-genomic perspective的forum文章，对染色质三维结构在电离辐射影响下的损伤与损伤后修复进行了总结与展望。

电离辐射一般指可导致生物体内部分子电离的射线，包括频率高于可见光的电磁射线 (紫外线、X射线、γ射线) 和放射性粒子 (α粒子和β粒子) 对生物生理功能的影响。这类射线照射使生物体分子解离或电离，产生带电的高活性“自由基”，与活体细胞中分子发生反应，破坏其遗传物质，导致细胞损伤或死亡。辐射影响与辐射类型、辐射剂量、受照射的机体部位有关。人体内的骨髓与淋巴组织细胞、睾丸或卵巢以及胚胎组织等对辐射最为敏感。而电离辐射对生物体造成上述影响主要是由于其对组织细胞内遗传物质的损害。但目前电离辐射对基因组产生的影响仍然没有被全面揭示，很多重要的损伤机理亟待深入研究。

随着基于二代测序的高通量染色体构象捕获技术 (high-throughput chromosome conformation capture, Hi-C) 以及基于显微成像的超分辨率成像与荧光原位杂交技术 (Fluorescence in situ hybridization, FISH) 的快速发展，基因组存在复杂三维空间结构这一认识正在得到越来越广泛的认可。染色质的三维结构对基因表达、细胞增殖和分化、身体发育和疾病发生发展的调控机制正在逐渐被揭示【1】，这将促进对染色质高级结构的进一步探索。与此同时，放射生物学和相关领域的研究也越来越多的关注电离辐射和三维基因组之间的关系【2】。

现有研究电离辐射相关的致癌机制主要包括电离辐射导致某些原癌基因的异常激活和抑癌基因的抑制。然而，在人体内编码基因占整个基因组的比例不到3%，而电离辐射造成的损伤还有许多发生在非编码区域，但这些损伤无法通过转录组数据表达出来。所以，使用三维基因组方法来检查增强子和启动子之间的长程相互作用，可以考虑到整个基因组中所有电离辐射诱导的突变靶点，进而能够探索未发掘的致癌机制。

电离辐射诱导的遗传物质损伤涉及到复杂的相互作用信号网络通路。细胞核与线粒体DNA容易受到电离辐射的损伤，产生包括DNA双链断裂 (double-strand breaks, DSB) 、DNA单链断裂 (single-strand breaks, SSB)，核苷酸碱基交联在内的多种损伤形式。在这其中，DSB最为致命。携带有高线密度能量的电离辐射作用在生物体遗传物质上主要分为两种损伤模式：直接损伤和间接损伤。直接损伤是指射线直接打断核苷酸间起连接作用的化学键从而导致DNA链断裂；而间接损伤是指射线首先与遗传物质周围的小分子（主要是水分子等）发生作用形成活性氧 (reactive oxygen species, ROS) ，包括超氧阴离子、过氧化氢、羟自由基等，随后ROS与核苷酸间的化学键作用导致DNA链断裂。间接损伤是电离辐射损伤的主要损伤模式。

对于真核生物而言，作为生物遗传物质的DNA双链紧紧缠绕在组蛋白八聚体上形成核小体。实验发现，核小体稀疏的区域相较于核小体密集的区域更容易受到电离辐射危害，其染色质开放区 (open chromatin regions, OCRs) 积累了更多的DSB位点【3】。染色质环 (Chromatin Loops) 主要介导调控元件（如增强子）与启动子的相互作用，以精确的时间和空间方式调节基因表达【4】。实验证明，在染色质环锚 (Loop anchors) 附近更容易发生DNA损伤【5】。此外，内源性DSB发生率与DNA复制和转录等过程相关，由于拓扑异构酶II (Topoisomerase II, TOP2) 的存在，Loop anchors处更容易发生双链断裂【5,6】。并且由于TOP2关联导致DSB发生的概率随着染色质活跃状态的增加而增加【5】。因此，我们有理由相信，Loop anchors和电离辐射诱导的脆性位点之间可能存在一定程度的相关性。

染色质拓扑关联结构域 (Topologically associated domains, TADs) 是基因组中存在高度相互作用的区域，CCCTC结合因子 (CTCF) 和黏连蛋白 (cohesin) 结合位点在TADs边界中富集【1】。当前的TADs形成模型表明，TADs中的基因组区域形成与黏连蛋白的环挤出动态聚集过程相关，直到其被CTCF阻断【4】。电离辐射后，跨TADs边界的相互作用减少，表明TADs的分离增加【7】。

染色质三维结构在兆碱基水平上，A和B 区室分别代表高转录活性和转录抑制的染色质区室【1】。在相同的外部条件下，常染色质环境相比于异染色质会发生更多的DSB【8】，因此我们有理由假设A区室比B区室更容易受到电离辐射的影响。

细胞核与细胞质在胞内环境中被核膜隔开，在整个基因组中，与核膜组件相互作用的部位被称为核膜相关结构域（Lamina-associated domains, LADs），与核仁组件相互作用的部位被称为核仁相关结构域（Nucleolus-associated domains, NADs）。实验发现，组蛋白修饰在NADs和LADs中高度富集，这是形成异染色质的典型特征。而且，LADs和NADs与基因活性抑制和基因低表达量相关【9】。由于OCRs为高转录活性区域，所以，我们可以假设LADs或NADs附近的染色质比位于核内部的染色质对电离辐射不敏感。虽然紫外线等非电离辐射和其他外部致癌物可以诱导DNA损伤，但LADs和NADs中的突变频率相似【9,10】。但是核膜或核仁附近的染色质是否更容易受到电离辐射的影响仍然存在争议，还需要放射生物学和三维基因组学的进一步深入研究。

在电离辐射损伤后，细胞将启动修复机制。今年年初发表在Trends in Genetics上的一篇综述系统地总结了动态空间基因组组织对DNA损伤反应的协同作用【8】。本文在此基础上进一步总结了DNA修复因子的三维基因组结构和液液相分离（Liquid–liquid phase separation, LLPS）共同促进辐射损伤DNA的移动与修复。此外，由于核小体密度的影响，在电离辐射环境下DNA损伤修复过程也会受到阻滞【11】。高度的异染色质压实（如LADs和NADs）通过阻碍各类修复调控因子向损伤区域的移动从而阻碍DNA损伤修复【8,9,12】。因此，尽管这些区域在电离辐射环境下相对不太容易受到损伤，但是一旦受到损伤，其修复难度也随之增加。此外，由于LADs中的核层蛋白B1对于DNA损伤修复至关重要，导致LADs与其他区域之间的修复效率存在差异【10】。

虽然大多数通过非同源端连接（Non-homologous end joining, NHEJ）修复的DSB往往被细胞核骨架蛋白锚定【13】，但还存在一些同源重组（Homologous recombination, HR）修复位点移动到核外围。LLPS是生物聚合物的基本行为，参与多种生物活动，包括DNA修复【8,14】。此外，53BP1是调节电离辐射诱导的DSB修复过程的重要修复因子【14】，通过LLPS，可以与DNA修复因子结合，促进受损的DSB末端移动到细胞核仁附近甚至进入核质【14】。而且，核膜区丰富的核孔隙也充当DNA损伤修复因子的转运通道【10】。这些因素可能会影响电离辐射后 LADs 和 NADs 的修复过程和效率。

辐射敏感差异性是客观存在的科学现象，对电离辐射的适应性是在物种进化过程中逐步形成的。辐射敏感差异性在物种间普遍存在。即使是同一物种，不同的组织器官在相同的电离辐射环境下也展示出不同的损伤和修复反应，甚至在同一细胞类型中，也会因分化程度不同，细胞周期不同，辐射敏感程度也会有很大差异。透过现象看本质，导致辐射敏感差异性现象是由于不同细胞在相同电离辐射环境下，造成的损伤不同或在相同的损伤后修复效率不同。在临床上有关癌症治疗的各种治疗措施中，放射治疗是一种被广泛采用的治疗方法。放疗是通过基于可控剂量的，高能电离辐射射线杀死癌细胞。但现实往往事与愿违，在杀死癌细胞的过程中，正常组织细胞也在高能射线下发生大面积的死亡。事实上，科学家发现癌细胞实际上比正常细胞具有更强的抗辐射的能力【15】。因此，研究辐射敏感性差异机制的意义在于将研究结果应用于放疗的辐射防护，抗辐射药物的研发，放疗靶点的确定以及更精准、更高效的癌症临床诊断技术和治疗方法的开发等工作。

关于辐射敏感差异性机理的探究，前期有学者尝试从表观遗传差异以及小分子和特异性蛋白表达的差异来解释。同时，也有学者提出DSBs修复和信号通路损伤的差异性可能是导致辐射敏感性差异的原因【15】。然而，到目前为止，从三维基因组学的角度探究辐射敏感差异性的研究少之又少。根据上文对三维基因组和辐射损伤相关性的探究，可以推测三维染色质层级结构的差异或许是导致辐射敏感性差异的重要因素。当然，这一假设是否成立还需要更多三维基因组学和辐射生物学的验证。

电离辐射损伤和修复涉及整个基因组动态时空变化的复杂过程。随着测序技术以及三维基因组学研究的快速发展，相关的理论创新有待进一步挖掘。目前，从三维基因组学的角度来看，电离辐射损伤和修复在空间染色质结构的各个层次结构中是不同的。

本工作的主要贡献是：1）总结电离辐射在损伤和修复过程中对具有不同层级结构的三维基因组的影响，这可能有助于解释辐射敏感差异性的机制；2) 提出从三维基因组视角理解电离辐射生物学效应，为放射生物学家提供创新思路；3) 论证辐射敏感性差异潜在机制，为辐射防护和更有效、准确和安全的临床放射治疗技术的发展提供更有力的证据。

到目前为止，本项研究存在以下局限性: 1）放射生物学领域的研究受到局限，随着测序技术和三维基因组学的快速发展，辐射组学的经典理论需要重新加以验证。2）A/B 区室的辐射敏感性与LADs和NADs水平的工作处于假设阶段，需要进一步的实验验证。3）需要进一步研究整体三维染色质层级结构的辐射敏感性，以完善现有的研究结果。4）缺乏蛋白质组学层面的探究，蛋白质在染色质相分离、基因表达调控和影响电离辐射与三维基因组关系的代谢过程中发挥重要作用，从而影响辐射敏感性。

现有辐射损伤与三维基因组学的研究都是基于bulk混合细胞实验所得的结论。由于细胞间存在异质性，现有的组学数据所产生的结论还存在争议。未来，单细胞技术在研究电离辐射损伤与三维基因组结构之间的关系中的应用有望突破这一局限性。因此，未来我们对辐射损伤与三维基因组学的研究将从以下四大方向出发：1)更深入的研究，以解释上述现象的机制并证明其因果关系；2)在单细胞水平上探究电离辐射与三维基因组之间的关系；3)利用多组学技术从时间序列研究电离辐射与四维基因组之间的关系，包括在辐射诱导致癌过程中发生的染色质结构的变化;4)利用大剂量辐射剂量研究染色质变化的结构特性。

尽管研究辐射损伤机制领域的一些发现仍存在争议，但三维基因组学观点可以为探究电离辐射损伤机制提供新的想法，并且为医学领域中开发新的临床诊断技术，治疗方法和更有效的应对肿瘤放射治疗的耐药性提供理论支持。

军事科学院军事医学研究院硕士研究生郑炀和李昊副研究员为本文共同第一作者，伯晓晨研究员和陈河兵副研究员为共同通讯作者。北京大学李程研究员、徐冬一教授，中科院杨根教授以及中国医学科学院基础医学研究所朱大海教授对该文章提出了宝贵的指导意见。

https://doi.org/10.1016/j.tig.2022.07.004

制版人：十一

参考文献

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