错误折叠的DNA蓝图：遗传疾病的新起源

先天性心脏病是最常见的出生缺陷，每年大约每100个新生儿中就有1个患有此病。导致这种疾病的众多原因之一是，患者体内只有一份功能正常的TBX5基因拷贝，而不是从父母那里遗传来的两份健康拷贝。

然而，科学家们一直难以理解，为什么即使还有一份健康的拷贝，这个基因的一份缺陷拷贝仍能如此严重地破坏心脏发育。

如今，格莱斯顿研究所的研究人员已经证明，TBX5参与将DNA折叠成心脏细胞运作所需的空间结构。在发表于《科学》杂志的一项新研究中，他们发现，即使丢失一份拷贝也会瓦解这种DNA组织，进而影响细胞对无数其他基因的使用方式。

这项研究改变了科学家对遗传学中一个长期谜题的理解方式：为什么丢失一个基因拷贝——即单倍剂量不足——会导致严重的发育缺陷。

“TBX5只是一类更广泛基因中的一个例子，这类基因在仅丢失一个拷贝时就会导致出生缺陷，”格莱斯顿心血管疾病研究所所长、该研究的资深作者Benoit Bruneau博士说。“我们的发现令人兴奋之处在于，它们表明许多不同的出生缺陷可能有着相同的原因：细胞的3D指令手册被折错了方向。”

“我们开发并使用了不同的计算模型来分析数千个细胞的数据，”格拉德斯通数据科学与生物技术研究所所长、该研究的另一位资深作者凯蒂·波拉德博士说。“这使我们终于能够看到，失去这一种蛋白质如何导致心脏DNA结构在各个层面遭到破坏。”

仔细观察DNA折叠

将DNA装入细胞，就像把一本一英里长的说明书塞进大头针的针帽里。由于每种细胞类型都会将其说明书精确折叠成独特的三维形状，因此心脏细胞得到的指令与脑细胞不同——所以功能也不一样。

DNA的三维结构分为几个层次，包括大的区室（就像把说明书装进不同的活页夹）、结构域（如同段落）和染色质环（如同将一页折叠起来，让两个隔得很远的句子碰到一起）。在细胞中，这些环使被称为增强子的遥远基因开关与基因发生物理接触，从而使细胞能够开启其所需的特定指令。

研究人员已经知道，TBX5是心脏发育的主调控因子——它是一种蛋白质，能开启心脏细胞正常形成和发挥功能所需的许多基因。布鲁诺的实验室此前已经表明，失去一个TBX5拷贝会影响数百个其他心脏特异性基因的水平。但他们并不清楚具体是怎么做到的。

在这项新研究中，团队研究了DNA的折叠方式是否决定了心脏细胞怎么工作，以及TBX5在这一过程中可能发挥什么作用。

为了验证这一点，科学家们结合了先进技术来观察单个细胞对TBX5缺失的不同反应。他们诱导人类干细胞成熟为心肌细胞，这些干细胞分别是健康的、缺少一个TBX5拷贝的或缺少两个拷贝的，然后利用高分辨率3D成像技术，以前所未有的细节观察DNA环结构。

由于这项研究涉及来自数千个单细胞的数百万个数据点，他们借助计算模型来解析由此产生的大量数据集。

“使用我们开发的定制计算方法，我们首次能够看到TBX5的缺失如何触发心脏3D DNA组织的彻底瓦解，”该研究的第一作者、Pollard实验室前生物信息学研究员Shuzhen Kuang博士说。“令人惊讶的是，我们发现这种崩溃发生在基因组组织的每一个层面——区室、结构域和染色质环。”

总建筑师

数据显示，随着健康干细胞成熟为心肌细胞，基因组经历了大规模的重组，大段DNA从失活状态转变为激活状态，反之亦然。研究小组发现TBX5是主导这些结构变化的核心调控因子。

科学家们发现，TBX5就像一个GPS定位系统，告诉一种被称为黏连蛋白的分子马达在DNA上的确切着陆位置，以构建连接基因与其增强子的染色质环。当TBX5不足时，DNA错误折叠并无法形成必要的环，导致重要的心脏相关基因无法启动表达。

“引人注目的是，TBX5的数量有多么至关重要，”该研究的第一作者、布鲁诺实验室的博士后研究员佐伊·格兰特博士说。“你移除的TBX5越多，我们所观察的基因组组织各个层级受到的破坏就越严重。”

事实上，研究表明，TBX5的量只要达到正常水平的一半，就足以导致DNA结构错误折叠，从而直接导致心脏缺陷。

此外，当研究人员更仔细地观察单个细胞时，他们发现并非所有心脏细胞对TBX5缺失的反应都相同。在两种不同类型的心脏细胞——心房细胞和心室细胞——之间，甚至在同一类型的不同细胞之间，都可以看到明显的差异。

“这可能有助于解释为什么有相同突变的人会出现不同的心脏缺陷，”格兰特说。

了解发育性疾病的新窗口

虽然这项研究在分子层面上为先天性心脏病的发生原因提供了新的见解，但这些发现可能适用于许多其他发育性疾病。

“我们相信我们揭示了一种新的致病机制，”Bruneau说。“我们证明，哪怕单一蛋白质的含量只下降一点点，也可能让DNA蓝图折叠出错，进而引发疾病。因此，许多现在被认为是基因突变导致的出生缺陷，实际上可能是DNA三维折叠出错造成的。”

该团队计划研究在心脏发育早期TBX5是从什么时候开始影响基因组结构的，以及同样的规律是否也适用于其他会导致出生缺陷的蛋白质。

相关信息： Zoe L. Grant 等人, Dose-dependent sensitivity of human three-dimensional chromatin to a heart disease–linked transcription factor, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adv5434. www.science.org/doi/10.1126/science.adv5434