Three-dimensional chromatin landscapes in T cell acute lymphoblastic leukemia
染色质3维结构的差异会影响TADs(topologically associating domains)的完整性，使得特定的增强子和启动子发生互作，从而影响基因的表达、导致疾病的发生。通过使用人类中白血病样本，并且检测在药物施加后染色质结构的变化，整合原位Hi-c、RNA-seq、CTCG Chip-seq等多种数据集，揭示了白血病细胞中TAD内部的交互、TAD边界的结缘效应的差异。本文研究发现：TAD的 ‘fusion’事件与CTCT的缺失存在关联，TAD的合并事件也直接导致MYC基因去远端超级增强子之间发生互作。同时作者也发现，小分子药物通过靶向癌症相关基因或是对应的表观调控过程，最终能够改变白血病细胞中特定的3D交互。
背景
在人类基因组中充斥着大量的调控元件，例如我们常说的启动子、增强子、绝缘子。最近的研究基因组在空间上形成3维结构，来控制这些调控元件在物理上的距离，从而达到对基因表达的精细控制。
基因组压缩成染色体包含多个步骤，其中就包括将染色质压缩成核小体、染色质丝、compartments、染色质domain。多种证据表明，在Mb分辨率下，基因组被组织成一个个称作TAD的染色质区域，在每个TAD区域内部染色质发生频繁的交互。从生物学上解释这个现象就是，TAD限制了调控元件和基因在同一个区域，与此同时又隔绝了与相邻区域的交互；保证了基因正常的表达。进一步的证据也表明基因组内往往存在一些超级增强子，它们调控一些控制细胞身份、或者是驱动癌症发生的关键基因的表达；但是这些增强子往往与TAD 的boundary一同存在，从而隔绝了它对下游基因的调控，保证生命活动的正常进行。
TAD boundary （TAD 边界）通常富集一些能够与CTCF蛋白结合的motif，motif的方向以及 Cohesin-mediated 是形成TADs的关键。在TAD 边界处异常的CTCF 结合位点或者倒置的方向，都会倒置TAD结构的改变，并且使得增强子和启动子之间的交互发生改变，倒置异常的基因表达。
作者通过比较正常的T细胞与白血病人的T细胞中，染色质结构的差异；在白血病患者T细胞中鉴定到一个TAD boundary的改变，而TAD边界的改变导致MYC基因与 NOTCH-bound super-enhancer之间的交互。通过药物γSI抑制MYX和增强子的交互，结果发现有一部分仍旧维持交互。作者通过分析发现另外一个因子CDK7，也能控制启动子和增强子的交互。
3D 染色质结构在T细胞中的差异
通过对数据集中 ‘hic-ratio’ insulation scores 指标 ，在每样本个基因组bin中的分值进行PCA分析，发现数据集被分为3类样本。通过分析白血病细胞的表达模式，发现样本可以分为两个亚组。比较不同类之间Compartment 的差异，发现一些样本特异的 Compartments,和共有的compartments。
T细胞中TAD活性的差异
比较白血病T细胞与正常的T细胞中共有的TAD活性的差异，将TAD分成几类：
- 在正常细胞中TAD活性下降
- 在白血病细胞中TAD活性增加
在两类细胞中活性改变的模式也呈现相似性。
为了进一步分析正常T细胞和白血病T细胞中TAD的差异，作者结合 CTCF Chip-seq数据，分析了CTCG在上一步分好类的TAD的聚集情况。基因表达在不同类型TAD的情况，超级增强子非富集情况。可以看出在在白血病细胞中TAD活性增加这一类TAD中，增强子的富集程度存在显著差异。
TAD boundary的绝缘效应
在比较了两种细胞TAD上的差异后，作者又比较了TAD boundary的差异。TAD boundary的丢失通常增加TAD内部的交互，使得相邻的两个TAD融合成为一个TAD；而TAD boundary的获得，会减少TAD内部的交互，因为TAD boundary的存在隔绝了TAD 与TAD之间的交互。
通过比较两类细胞中boundary gain类型与boundary loose类型的boundary在绝缘效应上的变化，发现boundary获得性绝缘效应增加(图f),而boundary丢失型，绝缘效应减少。
CTCF介导TAD的绝缘效应，控制MYC基因与增强子的交互
MYC基因在白血病细胞中显著上调，与此同时发现MYC基因对应的基因组区域有TAD 融合事件，表明附近染色质的交互作用增强。
通过比较正常细胞与白血病细胞的CTCF Chip-seq数据发现，白血病细胞peak的缺失。导致peak的缺失原因不是由于碱基的突变或者DNA的超甲基化。
通过CRISPR技术将正常细胞的CTCF位点突变后，使用FISH进行染色，发现MYC启动子与增强子之间的物理距离被拉近。这也证实了作者的猜想，CTCF可能是控制TAD 稳定性的一个因素
总结
- MYC基因的上调表达，以及CTCF peak的缺失，表明TAD的融合对基因表达的影响；但是究竟是什么调控CTCF仍旧是未知的。初步的研究以及排除了碱基突变和超甲基化两种可能的因素；ATAC-seq分析表明染色质可及性可能是一个潜在的原因。
- TAD内部的交互与基因表达、增强子活性存在关联
- 有些特定的抑制剂能够抑制对应增强子的活性，但是仍旧有一些增强子不会被抑制；并且这些增强子长度更长，可能它受到多种调控因子的作用
参考
- Three-dimensional chromatin landscapes in T cell acute lymphoblastic leukemia
- On the existence and functionality of topologically associating domains
