从染色体三维结构角度，揭示白血病基因融合的形成过程

撰文|邢志浩麦惠容深圳市儿童医院
责编|周叶斌
基因组重排在肿瘤的发生发展中发挥重要作用，可分为简单重排（如染色体异位）和复杂重排（如染色体碎裂， chromothripsis）。最新研究发现5~9%的肿瘤基因组中含有特殊的复杂重排形式，并与肿瘤发生密切有关。重排可以通过产生基因融合来驱动白血病等肿瘤的发生发展，白血病现已发现了上百种致癌的基因融合，但对于基因融合特别是经复杂重排产生的基因融合的形成过程，仍然知之甚少。
基因融合的形成需要多个步骤，包括断裂、空间邻近和修复。如何精准评估融合基因间的空间定位是研究白血病基因融合形成的难点。单细胞Hi-C技术可以从全基因组水平检测单细胞中基因的空间位置，最近这项技术的发展为研究白血病基因融合的形成提供了有力手段。
2022年8月9日，由深圳市儿童医院文飞球教授、陈运生教授与多伦多大学病童医院AdamShlien教授合作发表于GenomeBiology题为Single?celldiploidHi?CrevealstheroleofspatialaggregationsincomplexrearrangementsandKMT2Afusionsinleukemia的文章，基于单细胞Hi-C技术从染色体三维结构角度揭示了白血病复杂重排和融合基因的形成过程。

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首先，研究人员收集了来自COSMIC数据库的297个致癌基因融合，在其中筛选了58个白血病相关的染色体间的基因融合。其中78%的融合基因涉及KMT2A基因。而单细胞Hi-C数据表明这些白血病融合基因确实在空间上邻近。淋巴细胞中白血病融合基因间距离显著小于实体瘤融合基因和随机对照，且共定位的比率更高，其中费城染色体BCR-ABL1融合基因排名第一，单细胞水平上共定位率高达34.9% 。而KMT2A-ELL融合基因排在第二，共定位率达到了27.6% 。

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白血病融合基因伙伴在三维空间中邻近。（A）单细胞中融合基因间空间距离；（B）白血病融合基因、实体瘤融合基因及随机对照的空间距离对比；（C）融合基因间共定位比率分布；（D和E）两个单细胞中BCR和ABL1基因的空间位置示例。
包括涉及KMT2A在内的白血病不同融合基因在单细胞水平上倾向于共定位而非随机分布，且位于活跃的细胞核中心区域并形成共表达网络，可能发生了共转录。转录因子富集分析指出他们是转录因子RUNX1的下游靶基因，敲低RUNX1导致基因间接触减少。这些结果表明RUNX1介导的转录工厂可能是白血病融合基因共定位的重要因素。

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白血病融合基因与RUNX1介导的转录工厂显著相关。（A）位于细胞核活跃转录区域的基因占比；（B）基因距离细胞核中心距离分布；（C）基因伙伴在不同细胞间表达相关性；（D和E）转录因子富集分析；（F）RUNX1敲除对融合基因间距离的影响
研究进一步表明白血病融合基因DNA易发生断裂，进一步为基因融合的形成提供重要基础。融合基因的DNA断裂水平与染色质三维结构、基因转录活性高度相关。 DNA断裂主要发生在基因的转录活跃区域，比如RNA聚合酶占据的启动子区域，而且该区域同属CTCF和黏连蛋白锚定的DNA环的边界。转录抑制后DNA断裂相应减少，说明DNA断裂依赖于转录活动。

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融合基因呈现出活跃转录、邻近DNA环边界和高水平的DNA断裂等特点。 (A-C)基因断裂水平与染色体环锚点距离之间的关系， (D)融合基因与DNA环边界的距离， (E)融合基因的表达热图,(F)复杂重排基因的CTCF水平、转录活性和DNA断裂情况（以SRSF4为例）， (G)转录抑制处理后融合基因的DNA断裂变化（以SEC14L1为例）。