真核细胞的基因组在细胞核中呈现多层次、多维度且高度有序的组织形式。近年来，随着三维染色体构象捕获技术（如Hi-C）的迅速发展，我们能够在全基因组范围内捕获不同基因座之间的三维空间交互信息，并在不同的分辨率下将三维染色质结构划分为4个层级：染色质环（Chromatin loop），拓扑关联结构域 (Topologically associating domain，TAD)，染色质区室 (A/B compartment) 和染色质疆域（Territory）。越来越多的研究表明，细胞分化、个体发育、特定疾病以及细胞衰老（Senescence）过程中发生的三维染色质结构变化或重组（Reorganization），与基因复制、修复、转录和重组等最基本的生命活动密切相关。然而，关于个体衰老（Ageing）过程中染色质结构变化的研究，尤其是将这种变化与功能衰减相关联的研究却很少。
B细胞在适应性免疫中扮演着至关重要的角色，具备合成抗体、呈递抗原和分泌细胞因子等关键功能，其发育和功能直接影响机体抵御病原体的能力。然而，随着年龄的增长，B细胞的生成和功能显著下降，这也是老年个体免疫力低下的重要原因之一。
为了深入理解这一现象，2024年6月12日，美国国立卫生研究院衰老研究所Ranjan Sen实验室（共同一作是马菲和曹亚强）在Nature Cell Biology杂志上发表了文章Three-dimensional chromatin reorganization regulates B cell development during ageing，利用Hi-C、RNA测序等技术，系统分析了年轻和年老小鼠的B细胞前体细胞（Progenitor B cell, pro-B）中的三维基因组结构和基因表达。这项研究揭示了小鼠pro-B细胞在衰老过程中存在显著的三维染色质结构重组。特别是在多个B细胞关键转录因子（如早期B细胞因子1，Ebf1）的基因座位置。染色质结构重组伴随着这些基因座的表观遗传修饰变化和基因表达下调。此外，研究还发现，衰老引起了免疫球蛋白重链编码基因座（Igh locus）所在的拓扑关联结构域（Topologically associating domain，TAD）内的DNA互作减弱，导致原初B细胞受体（即抗体）谱（Primary BCR repertoire）多样性降低，这些变化最终造成B细胞发育和功能的缺陷，很可能是衰老相关免疫功能下降的关键原因。
作者首先通过Hi-C实验检测了年轻和年老小鼠pro-B细胞中的三维染色质组织情况，发现老年小鼠中pro-B细胞的染色质结构较年轻小鼠发生了显著变化。具体表现为远距离的compartment水平的染色质交互有所增强，而相对近距离的TAD和loop水平的染色质交互则相对减弱。此外，上百个compartments的转录活性发生了翻转，其中最显著的例子是Ebf1基因所在的区域从活跃的A compartment转变为沉默的B compartment。这种转变伴随着该基因座表观遗传修饰的变化和Ebf1基因表达的降低。Ebf1是B细胞发育过程中极为重要的转录因子，其表达失调对整个pro-B细胞的转录组有极大影响。
在前B细胞中减少Ebf1表达部分模仿了衰老表型（Credit: Cell Recearch）更有趣的是，研究者发现编码免疫球蛋白重链（Immunoglobulin heavy chain, IgH）的基因座所在的TAD是衰老过程中变化最显著的一个。在pro-B细胞中，处于生殖系（Germline）状态的Igh可变区基因（VH）、多样区基因（DH）和连接区基因（JH）需通过V(D)J重排才能生成抗体重链的可变区，这是抗体能够识别海量抗原的重要基础。在这一过程中，由于整个基因座的一维距离很远（约3Mb），因此需要三维靠近彼此交互才能完成V(D)J重排。然而，作者发现衰老过程中Igh TAD内的互作显著下降，因此他们猜测这一结果可能会影响V(D)J重排，从而降低抗体谱的多样性。
作者利用DNA高通量测序方法检测了年轻和年老小鼠pro-B细胞中的V(D)J重排情况，发现老年小鼠更多地使用了特定区域的可变区基因（Proximal VH），这在一定程度上影响了原初B细胞受体重链的多样性。
总的来说，这项研究首次揭示了衰老对免疫细胞中三维染色质组织的影响，并将其与B细胞的发育和其前体细胞的功能联系在了一起。研究团队计划进一步解析其他关键基因和信号通路在B细胞发育和衰老过程中的作用，以全面理解衰老相关的免疫变化。这项研究不仅展示了基因组学和三维染色质研究在揭示衰老机制方面的巨大潜力，还提供了一种未来开发抗衰老疗法的可能方向。
参考文献
https://www.nature.com/articles/s41556-024-01424-9
