NAR文章揭示增强子调控细胞衰老相关分泌表型SASP的新机制

        分泌蛋白质组的深刻变化是细胞衰老的标志之一，它是不同种类细胞因子的表达和分泌明显增加的表型，也是衰老细胞产生的最重要的环境效应，被称为衰老相关的分泌表型(senescence-associated secretory phenotype，SASP)。SASP通常包括包括细胞因子，趋化因子，生长因子和基质基础蛋白酶等。这些因子通过与免疫系统协作，改善细胞微环境的同时，影响邻近细胞的增殖与分化，对肿瘤的发生发展产生双向性的调控，因此，有必要对衰老过程中SASP的调控机制等问题进行系统、深入的探究。近年来，对于染色质空间结构的探索极大拓展了研究人员对重大生命活动中基因表达调控的新认知。以基于染色质构象捕获的高通量测序（High-throughput chromosome conformation capture，Hi-C）为代表的一系列技术揭示了真核细胞基因组有层次的空间结构。作为染色质空间构象的关键研究对象，增强子这一调控元件的动态变化也将成为研究下游基因表达调控等问题的突破口。鉴于目前从三维基因组角度探讨衰老信号响应下染色质的调控元件与基因之间互作关系的研究报道十分有限，有必要对衰老细胞的三维基因组的变化规律及其关键调节因子的作用等问题进行探究。

      2020年11月7日，湛江市临床医学研究所管仪婷博士联合北京大学生物信息中心和首都医科大学人脑保护高精尖创新中心团队，在Nucleic Acids Research杂志在线发表了题为“Senescence-activated enhancer landscape orchestrates the senescence-associated secretory phenotype in murine fibroblasts”的研究论文。该研究以细胞复制性衰老为研究对象，重点探究了染色质在衰老过程中的空间变化规律，并阐释了拓扑结构域TADs结构内部存在的一条由衰老活跃增强子介导的、通过招募转录因子C/EBPα促进下游SASP基因表达的新型作用机制。

       在该项工作中，研究人员首先以体外复制型衰老为研究对象，利用Hi-C技术重点探究了细胞衰老的早、中和晚期的三个时期的全基因组层面的DNA相互作用图。研究发现，衰老中三维染色质的TADs区域和TAD边界虽然是倾向于保守的，但染色体内部和染色体之间DNA互作距离的调控发生了明显的变化，即衰老后期的细胞存在更多的远端距离调控与更少的近端距离的调控方式。进一步的，研究人员在对A/B隔间这一更大的染色质空间结构组分进行探究时发现，A/B隔间在衰老发生时存在着频繁的相互转换，且隔间转换过程中显著影响了增强子这一调控元件，暗示着细胞衰老过程中很有可能会出现增强子大规模重分布的现象，而这种重排是与染色质空间结构相关的。

       接下来，研究人员利用H3K4me1和H3K27ac这两种特异性标识增强子的组蛋白修饰，描绘了衰老三个不同时期的增强子分布动态图，并重点对H3K27ac标识的活跃增强子进行了分类，发现了2154个随着衰老进程推进、H3K27ac信号强度逐渐激活的一类增强子——衰老激活相关增强子（Senescence-activated enhancers，SAEs）。在对这类SAE进行分析时，研究人员发现SAEs总是倾向于分布在不活跃染色质隔间B向活跃染色质隔间A的转换过程中，且SAEs附近的基因主要与细胞黏着，胞外信号响应，调控白介素生成，细胞衰老等SASP的形成信号密不可分。模体（motif）分析显示，C/EBP家族特异性富集在SAEs上，经过进一步筛选发现，C/EBP家族中的成员C/EBPα在衰老过程中表达量不仅持续上升，且会显著影响细胞衰老进程。由于在上述的实验结果中，已经发现SAEs可能参与SASP 的相关信号通路的证据，因此研究人员对C/EBPα如何SAEs区域影响SASP基因表达这一问题进行了探究，并发现，C/EBPα不仅在SASP基因的SAEs区域有结合，随着衰老进程的加快，且C/EBPα的结合SAEs区域的强度会明显升高。而通过遗传学手段对C/EBPα的表达进行干预时，发现C/EBPα会显著影响SAEs的丰度及其附近SASP基因的表达与下游因子的分泌。

       至此，该研究已阐述了在细胞复制型衰老过程中存在的由转录因子C/EBPα 发挥的调控下游SASP基因表达的过程，且这个过程主要是由SAEs这一特异性介导的。由于上文发现SAEs主要分布在隔间B到隔间A的转换过程中，那么作为组成隔间的亚级结构，TADs又与SAEs有着怎样的联系？为了阐明这个问题，研究人员对SAEs在小鼠染色体上的分布进行了分析，发现SAEs在染色体上更倾向于成簇分布，而不是随机散落在染色体的各个位置上。接着，研究人员又统计了所有含衰老相关增强子区域的TADs中SAEs的分布比例，计算后发现， SAEs在TADs中的占比呈现出明显的双峰线，这说明了含有SAEs调控元件的TADs中几乎只存在SAEs本身，这种非此即彼的结构让SAEs可以通过一定的空间结构包裹在一个TADs中，并发挥着调控下游基因的功能。综上所述，该研究阐述了在细胞复制性衰老中，不活跃染色质隔间B向活跃染色质隔间A的转换区域存在着以TADs为单位的增强子调控基因表达的模式。具体过程是在TADs内部，一类表达信号在衰老发生时受到激活的增强子，通过招募关键转录因子调控其所在区域活性，促进下游SASP基因表达，引起SASP胞外因子的分泌。研究不仅拓展了染色质空间结构中SASP基因表达调控的新规律，也将有助于阐明SASP发挥清除衰老细胞功能干预衰老进程的问题，为下一步以药物手段干预SASP信号途径，治疗肿瘤和衰老相关疾病提供了新的研究方向。