Science丨染色质也会疲劳，DNA修复后的留下的可遗传性损伤

撰文｜雪月

细胞基因组不仅是遗传信息的载体，还通过三维染色质结构调控基因活性与细胞命运。 DNA 包裹在组蛋白上形成染色质，并进一步折叠成拓扑相关结构域（ Topologically Associated Domains,TAD），使得远距离的基因调控元件（如增强子与启动子）能够在空间上接近，从而实现精确的转录控制。然而，这种三维结构的复杂性也带来了脆弱性：当DNA双链断裂（ double-strand breakDSB）发生时，除了直接损伤 DNA 序列外，还会引发染色质结构的广泛重组与基因沉默。虽然细胞具备修复断裂的机制，但 修复后的染色质能否完全恢复至原始状态尚未阐释清楚 。若不能恢复，是否会造成长期甚至可遗传的功能障碍。

来自丹麦哥本哈根大学的Jiri Lukas团队在 Science 上发表题为

Repair of DNA double-strand breaks leaves heritable impairment to genome function

研究团队利用 CRISPR-Cas9 系统 ，在人体 HeLa 细胞及小鼠胚胎干细胞中 精确诱导单个 DNA 双链断裂 ，选取的典型研究位点是 c-MYC 基因所在 TAD 区域 。 c-MYC 是一个拓扑敏感且调控广泛的原癌基因，非常适合观察染色质结构与转录的对应变化。 作者首先 在 c-MYC 所在 TAD 的不同位置（包括距基因本身数百 kb 甚至上 Mb 的区域）引入 Cas9 切口，检测 c-MYC 蛋白水平及 mRNA 表达（ QIBC 和 RT-qPCR ）。

结果发现 即使断裂不在 c-MYC 基因内，只要位于同一 TAD 内， c-MYC 及邻近基因的表达均显著下降 。这种抑制在 DNA 修复完成后仍持续存在，表明染色质结构的改变影响了整个区域的转录活性。 作者 在修复后追踪 c-MYC 表达随时间的变化（ 24–96 小时），并通过单细胞克隆扩增验证子代细胞中的表达状态。 分析显示修复完成后，母细胞中c-MYC的表达下降并未恢复，且在克隆扩增后的子代细胞中仍保持低水平。染色质受损后形成的“表达记忆”可在细胞代际间传递。类似结果在小鼠胚胎干细胞 Mcm2 基因区域中得到验证，进一步证明此现象具有普遍性。

作者 通过三维 DNA 荧光原位杂交（ 3D DNA FISH ）和 Region Capture Micro-C 技术，精确测量修复前后 c-MYC TAD 内的染色质空间距离与接触频率。 结果显示 修复后， TAD 内远距离接触明显减少，而局部短程相互作用增强，显示染色质发生持久性拓扑重排。这种结构变化并非暂时性损伤，而是 DNA 修复完成后仍持续存在的空间 “ 疤痕 ” 。作者又 利用 Micrococcal Nuclease 测序（ MNase-seq ）与 CTCF ChIP-seq 分析染色质可及性和 TAD 边界稳定性。 分析显示 总体核小体分布无大规模变化，但断裂附近区域的可及性显著改变。 CTCF 介导的染色质环基本维持，说明损伤主要影响局部拓扑，而非整个染色体结构。 作者最后 使用 RNA FISH 检测 c-MYC 及其相邻长链非编码 RNA （ PVT1 ）的核内分布。修复后，这些 RNA 在其基因位点处的滞留与积聚显著减少，说明局部转录复合体及核内结构域被破坏。这可能是基因表达长期下降的直接原因之一。

本研究系统揭示了DNA双链断裂修复后的一个被长期忽视的层面：染色质结构与基因功能的不可逆改变。这种结构性与功能性损伤可稳定地传递给子代细胞，形成一种可遗传的基因表达缺陷，被作者定义为“染色质疲劳（chromatin fatigue）”。染色质疲劳为理解 细胞老化、癌症发生、环境应激应答及基因编辑潜在副作用 提供了新的理论框架，也提示未来在研究 DNA 修复及基因治疗时，必须同时关注 三维染色质层面的长期影响 。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk6662

制版人： 十一

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