Nuclear morphology is shaped by loop-extrusion programs
中性粒细胞是人体内含量最为丰富的粒细胞类型，其在白细胞中的占比约为40%至70%。这种细胞的细胞核形态具有独特性，呈现出带状、多分叶状或环状等多种形状，因此中性粒细胞也被称为多形核白细胞。中性粒细胞具备穿越血管壁进入组织并发挥功能的能力，其细胞核的可塑性多形核形状使其能够在组织中狭窄的间隙内顺利迁移。近年来，越来越多的研究证据表明，核形状以及核可塑性的异常变化与癌症、心脏病、免疫细胞缺陷等多种疾病存在着密切的关联。然而，目前对于调控核形态以及核可塑性的分子机制仍然知之甚少。
近日，美国加州大学Cornelis Murre课题组在国际知名学术期刊《Nature》上发表了一篇题为“Nuclear morphology is shaped by loop-extrusion programs”的研究论文。该研究揭示了在骨髓中性粒细胞祖细胞中，环挤压程序能够诱导产生中性粒细胞特定谱系的染色质结构，从而使染色体能够排列成叶状结构。此外，该研究还发现环挤压程序通过形成兆环，指导了该谱系细胞特异性基因的表达，为深入理解中性粒细胞核形态的调控机制以及其在疾病发生发展中的作用提供了重要的理论依据。
为了深入探究核形态的决定机制，研究者以中性粒细胞作为研究模型。他们利用之前构建的髓系中性粒细胞祖细胞的体外培养系统，当向培养体系中加入β-雌二醇时，单核细胞会无限增殖；而当移除β-雌二醇后，细胞周期则会停滞，并且细胞会分化为多形核中性粒细胞。在这一分化过程中，分化的中性粒细胞中编码促进染色质环挤压的相关基因表达量显著下降。进一步的研究发现，环挤压装载因子NIPBL的缺失会导致细胞周期停滞、细胞死亡增加，并诱导中性粒细胞表面标志物的表达，同时激活建立中性粒细胞特性的转录因子表达。值得注意的是，原本为单核形态的祖细胞会迅速形成多形核结构，这一现象与终末端分化的高分叶中性粒细胞的特征高度一致。这些数据表明，停止中性粒细胞祖细胞的环挤压会激活中性粒细胞特异性基因程序，并促使细胞形成多形核的组装状态。
随后，研究者借助Hi-C技术探究停止环挤压是否会导致染色质组装结构的改变。研究结果显示，在祖细胞中，NIPBL的缺失会导致局部染色体内（<4 Mb）接触频率降低，而远端染色体内（>4 Mb）接触频率升高，拓扑相关结构域（TAD）内的相互作用显著下降。这些染色体的三维结构变化与在分化成熟的中性粒细胞中观察到的染色体结构极为相似，并且会诱导细胞重新组装出新的染色质环，从而激活中性粒细胞特异性基因的表达。从更大范围的维度来看，聚集在染色质B区的巨大兆环（Mega-loop）平均跨越长度要长于染色质A区的兆环长度。而在NIPBL缺失后，所获得的兆环内部TAD的接触频率也显著下降，这些变化与mRNA和染色质开放水平的变化密切相关。具体而言，这些变化的基因富集了炎症特异性基因，当停止环挤压使得中性粒细胞祖细胞中形成兆环时，会将位置较远的增强子和启动子配对到共同的转录中心，进而驱动中性粒细胞特异性基因的表达。此外，NIPBL的缺失也是引起多形核变化的关键调控步骤。
最后，研究者将体外的研究发现进行了体内验证。研究人员通过电穿孔技术将NIPBL靶向的CRISPR RNA（crRNA）转导到骨髓中性粒细胞祖细胞中，介导NIPBL的缺失。经过这种操作后，在原代中性粒细胞祖细胞中，前体细胞、髓细胞和间变性髓细胞的数量显著减少，而各类中性粒细胞的数量则明显增加，并且中性粒细胞表面标志物的含量也显著提升。此外，单细胞RNA测序（scRNA-seq）的数据也证实了这一发现，NIPBL缺失富集了分化的中性粒细胞。
综上所述，本研究揭示了骨髓造血祖细胞中环挤压机制在中性粒细胞分化过程中所发挥的关键作用。研究发现，当阻断祖细胞中的环挤压程序时，将显著诱导中性粒细胞的分化进程。在此过程中，染色体的三维结构会发生剧烈变化，而兆环的形成则有力地推动了多形核结构的出现以及中性粒细胞特异性基因表达图谱的建立。这些重要发现不仅为多形核结构的组装提供了清晰的蓝图，而且为设计新型核形态以促进效应细胞在细胞密集的致瘤环境中实现有效迁移提供了全新的思路和理论依据，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。
| 名称 | 货号 | 规格 |
| Rabbit anti-SMC1 Antibody, Affinity Purified | A300-055A | 100 µl (1000 µg/ml) |
| Rabbit anti-SMC1 Antibody, Affinity Purified | A300-055A-T | 10 µl (1000 µg/ml) |
| NIPBL (C-9) | sc-374625 | 200μg/ml |
| Anti-SMC3 antibody | ab9263-50ug | 50ug |
