在正确的时间和正确的细胞中建立适当的基因组3D结构，以利于特定基因与其调控元件之间的远程通信，并抑制非相关基因的表达，是细胞命运决定和谱系发育的核心问题，但是相关机制尚不清楚【1,2】。

2023年11月22日，哈佛大学医学院麻省总医院Katia Georgopoulos团队和La Jolla免疫研究所的Ferhat Ay团队（哈佛大学医学院的胡业广博士和La Jolla免疫研究所的生物信息学博士生Daniela Salgado Figueroa为共同第一作者）在Cell上联合发表了文章"Lineage-specific 3D genome organization is assembled at multiple scales by IKAROS"，揭示了IKAROS蛋白如何帮助基因组“编织”成B细胞分化所需的正确结构，以确保谱系基因的表达，并使其生成多样抗性的抗体库。

Georgopoulos团队先前的研究表明IKAROS是淋巴细胞谱系发育的决定因子【3】。在前体B细胞（large pre-B）中其失去功能的基因突变会导致基因增强子(enhancer)的重新编程，从而阻断B细胞分化，并唤醒异常的上皮细胞、干细胞特性，导致无法有效治疗的高危急性B细胞癌【4,5】。基于基因增强子与启动子远程通讯的特点，他们猜测IKAROS可能通过调控基因组的3D构象来实现对淋巴细胞相关基因的时空调控并限制非相关基因的表达。为了验证这一猜想，Georgopoulos团队的胡业广博士使用基因敲除小鼠模型、前体B细胞体外分化、体外诱导基因敲除模型，以及皮肤细胞中IKAROS的诱导表达模型，开展了系统的基因组3D结构、基因转录、表观遗传修饰、抗体轻链基因重组、转录因子基因组结合位点分析等实验；继而与La Jolla免疫研究所的Ferhat Ay生物信息学团队合作，使用不同的计算和统计方法来解析基因组是如何空间排列的，以及在失去IKAROS时这种排列是如何被破坏和变化的。
该研究发现IKAROS 对染色质的长距离相互作用具有直接、正向的调控作用。其介导的增强子连接（enhancer loop）不仅为B细胞当前发育阶段的基因表达提供了基础，而且为之后发育阶段的基因表达进行了提前配置。IKAROS的敲除导致了大量的增强子连接和结构连接（structural loop）发生解联和重构，而且这一过程能够不依赖于表观遗传修饰和CTCF在基因组上的变化。
此外，IKAROS的敲除还导致了大量的拓扑结构域（TAD）发生变化。该研究发现：一方面，IKAROS介导的增强子连接可以有效跨越以CTCF为基础的拓扑结构域边界，从而 将相邻的结构域连接在一起，形成B细胞特异性的超级结构域(Super TAD)；另一方面，IKAROS还可以通过在增强子上加载Cohesin，促进邻近的CTCF位点之间形成结构连接，建立起B细胞特异性的亚结构域(Sub-TAD)，从而导致TAD边界的扩张和细胞特异性的基因表达。
研究者进一步分析了IKAROS对基因组隔区（nuclear compartment）的影响。研究发现，IKAROS介导的enhancer loop可以跨多个不活跃的B compartment形成极远距离的拓扑连接，并使相连区域共同处于活跃的A compartment。研究者发现IKAROS对这些连接的维持和隔区的活化至关重要，并提出了以phase separation 为基础的机制模型。
研究者继而以Igk抗体轻链基因簇为例，全面揭示了IKAROS对基因组的拓扑结构调控。B细胞通过基因组重排产生响应多样抗原的能力的抗体库。在前体B细胞中，IKAROS密集地结合在Igk 基因簇的增强子上，并介导了大量远距离的拓扑连接，从而将多个基础结构域“编织”成一个高度紧凑的3.6Mb的超级结构域，并使其处于活跃的A compartment。此外，IKAROS在Igk重组中心（recombination center）区域的结合，形成了一个89kb的超级增强子(RCSE)。以RCSE为锚点的enhancer loops可以跨越多个CTCF基础结构域边界，形成连接并纵贯整个Igk基因簇的、不受基因组线性距离限制的连接，从而使Igk的上百个可变基因片段（variable segments）在3D空间上同等地靠近重组中心，参与抗体轻链的基因重排。敲除 IKAROS之后，尽管其他B细胞转录因子在染色质上的结合几乎不受影响，但Igk超级结构域的enhancer loops迅速消失，继而使该结构域因失去大量域内和域外连接而发生分裂和解构，并从A compartment 转变为不活跃的B compartment。
最后，研究者通过在人上皮细胞中的诱导表达IKAROS，检测其是否可以在迥异的细胞核环境中构建淋巴细胞特性的基因组空间结构。结果显示，IKAROS的表达导致上皮细胞的基因组在多个层面上发生了结构重排，并在人抗体轻链IGK等众多基因位点上建立了淋巴细胞特性的拓扑结构。
该研究系统揭示了淋巴细胞转录因子IKAROS在B细胞基因组的looping、拓扑结构域、及细胞核隔区的组织者作用，并阐明了新型的分子机制，为细胞谱系的发育和限制提出了一个重要范例。

原文链接：https://authors.elsevier.com/c/1i821L7PXmeET

参考文献

1. Rowley, M.J., and Corces, V.G. (2018). Organizational principles of 3D genome architecture. Nat Rev Genet 19, 789-800. 10.1038/s41576-018-0060-8.

2. Stadhouders, R., Filion, G.J., and Graf, T. (2019). Transcription factors and 3D genome conformation in cell-fate decisions. Nature 569, 345-354. 10.1038/s41586-019-1182-7.

3. Georgopoulos, K., Bigby, M., Wang, J.H., Molnar, A., Wu, P., Winandy, S., and Sharpe, A. (1994). The Ikaros gene is required for the development of all lymphoid lineages. Cell 79, 143-156. 10.1016/0092-8674(94)90407-3.

4. Hu, Y., Zhang, Z., Kashiwagi, M., Yoshida, T., Joshi, I., Jena, N., Somasundaram, R., Emmanuel, A.O., Sigvardsson, M., Fitamant, J., et al. (2016). Superenhancer reprogramming drives a B-cell-epithelial transition and high-risk leukemia. Genes Dev 30, 1971-1990. 10.1101/gad.283762.116.

5. Hu, Y., Yoshida, T., and Georgopoulos, K. (2017). Transcriptional circuits in B cell transformation. Curr Opin Hematol 24, 345-352. 10.1097/MOH.0000000000000352.