撰文 | 言笑
唐氏综合征（Down syndrome, DS）即21-三体综合征（Trisomy 21, T21），是由染色体异常（多了一条21号染色体）而导致的疾病，患者主要表现为智能落后、特殊面容、生长发育障碍，可伴有多发畸形。神经祖细胞（neural progenitor cells, NPCs）是大脑发育中分化为神经元、星形胶质细胞或少突胶质细胞的多能干细胞，研究表明DS表现出的大脑异常与NPCs功能失调有关【1-2】。
染色质的表观遗传修饰决定了转录因子（transcription factor, TF）结合位点在基因启动子和调控元件的可及性，间期核内染色质的折叠使这两个区域在空间上接近【3-4】。基因启动子和调节元件的这种三维基因组组织（3D-genome organization）决定了单个细胞内特定基因的转录水平【5】。最近科学家通过对DS病人和DS小鼠模型的组织样本进行全基因组转录谱分析发现，除了21号染色体上的基因表达量上调外，T21还会破坏全基因组转录【6-8】。然而，T21引起全基因组转录异常的机制目前还不清楚，T21是否会通过影响3D-genome organization参与DS中全基因组转录调节呢？
2022年1月6日，来美国麻省理工学院的蔡立慧（Li-Huei Tsai）团队在Cell Stem Cell杂志在线发表了题为Down-syndrome-induced senescence disrupts the nuclear architecture of neural progenitors 的文章。研究人员在人源iPSCs（human-derived induced pluripotent stem cells）和iPSC-derived前脑NPCs中探究了T21对3D-genome organization、表观基因组及转录组的影响，结果显示：（1）T21会破坏NPCs细胞核结构及转录组；（2）T21 NPCs表现出与细胞衰老类似的核结构和转录组变化特征；（3）采用抗衰老药物处理T21 NPCs可以有效改善T21引起的分子及细胞内异常。该研究揭示了T21与全基因组转录破坏之间的机制联系，并表明衰老相关表型可能在DS的神经发育发病机制中起关键作用，为DS治疗提供了新思路。
首先，作者探究了T21对3D-genome organization的影响。通过对同基因（整倍体：Iso-E和三倍体：Iso-T）的iPSCs和NPCs进行染色体构象捕获（Hi-C）分析发现，与iPSCs相比，Iso-E NPCs的cis-和trans-染色体相互作用显著增加和减少。而在Iso-T中，与iPSCs相比，NPCs中trans-染色体间的相互作用在全基因组范围内显著减少。携带T21的NPCs中trans-染色体相互作用的比例显着降低。在NPCs所有染色体中，包括21号染色体（HSA21），均观察到longer-range (>~1 Mb) cis-染色体相互作用的减少和shorter-range (<~1 Mb) 相互作用的增加。值得注意的是，作者并没有在iPSCs中观察到类似的变化。
基因组在细胞核内被分隔为两个区室：The active (A) compartment，位于核心；the inactive (B) compartment，位于核周【9】。A/B区室由基因组的多个自我相互作用的结构单元组成，称为拓扑关联结构域（topologically associating domains, TADs）【10】。作者发现，T21不会影响iPSCs的intra-TAD interaction density（ID），然而与整倍体NPCs相比较，三倍体NPCs中的intra-TAD ID发生了显著重组：1800（~38%）TADs的ID增加，389（~8%）TADs的ID减少。ID增加的TADs富集在B-区室，没有变化的TADs主要位于A-区室；然而，ID减少的TADs没有在任何区室富集。进一步分析发现，丢失/减少的染色体环（chromosomal loops） 主要位于ID减少的TADs中，而增加的loops主要富集在ID增加的TADs中。这些结果说明T21引起的染色体内倾（introversion）主要发生在B区室。
随后，作者探究了T21相关核结构重组与转录组之间的关系。通过对iPSCs和NPCs进行RNA-seq分析（图1A），作者发现T21对NPCs转录组的影响更大：NPCs中有1869个下调和2724个上调的差异表达基因（DEGs）（图1C），而iPSCs只有102个下调和423个上调的DEGs（图1B）。NPCs中鉴定到的DEGs可以特异性地划分至A/B区室：下调基因主要定位于A-区室，上调基因富集于B-区室。进一步分析显示，上调的基因主要富集在ID增加的B-区室TADs中，下调的基因主要富集在ID减少的A-区室TADs中。最后作者证明被T21扰乱的生物过程是由染色质组织的破坏引起的：（1）大脑发育相关下调基因主要位于ID减少的TADs中；（2）细胞迁移相关上调基因位于ID增加的TADs；（3）细胞增殖、转录调控及染色体结构相关下调基因主要与启动子可及性减少相关。
图1. iPSCs和NPCs的RNA-seq分析
上述在T21 NPCs中观察到的变化，包括染色体内倾、转录和染色质状态的改变等都是衰老细胞的关键特征。那么T21 NPCs是否也经历了衰老？为了回答这一问题，作者进行了衰老相关（senescence-associated, SA）b-半乳糖苷酶（b-galactosidase）染色，并观察到T21 NPCs中的衰老细胞数量增加了15倍。为了进一步评估T21细胞与衰老细胞转录组的相似性，作者使用了之前已经报道的各种诱导型衰老转录组数据，包括氧化应激诱导的衰老（oxidative stress-induced senescence [OSIS]），复制压力诱导的衰老（replicative senescence [RS]），辐射电离引起的衰老（stress-induced premature senescence [SIPS]），过表达RAS（oncogene-induced senescence [OIS]）和HMGB2敲低（HMGB2-KD）。通过分析发现，iPSCs中的DEGs与各种衰老中鉴定的DEGs之间并不存在明显相关性；相反，T21 NPCs中鉴定的DEGs与OSIS、RS和SIPS中的DEGs高度相关。T21可以显著增加SA细胞周期依赖激酶抑制因子（p16，p15和p21）的表达，上调SA分泌表型基因（CXCL12, MMP24, MMP25和LAMB1），降低衰老细胞核标志物的表达（LMNB1，P53，HMGB1和HMGB2），这些变化与OSIS和RS诱导的细胞衰老中的变化类似。随后通过比较T21 NPCs和OSIS中的DEGs，作者鉴定了T21 NPCs中与衰老相关的DEGs，包括426个下调基因和584个上调基因。
早期临床试验显示，联合使用抗衰老药物达沙替尼和槲皮素（dasatinib and quercetin, DQ）可以改善糖尿病肾病患者的衰老相关病症。此外，研究表明抗衰老药物不仅可以选择性地去除衰老细胞，还可以减轻衰老过程中诱导的转录和异染色质结构变化。既然T21 NPCs具备与衰老如此类似的全基因组转录变化特征，那么使用抗衰老药物是否可以改善T21 NPCs的分子及细胞表型呢？与预期结果一致，用DQ处理T21 NPCs可以减少衰老细胞的数量，减轻异染色质结构的改变，改善全基因组的转录破坏，减轻细胞迁移缺陷，增加增殖细胞的数量。
总的来说，该文章利用人源iPSCs和iPSCs-derived NPCs解码了T21引起的全基因组转录变化背后的分子机制，表明了衰老可能在Down syndrome神经发育发病机制中起的关键作用，证实了抗衰老药物DQ在改善T21 NPCs缺陷中的功能（图2）。该研究为治疗DS提供了一种全新的令人兴奋的治疗途径，抗衰老药物有望应用于治疗DS。
图2. 全文概要
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.12.002
制版人：十一
参考文献
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