TOP2B 在维甲酸处理 SH-SY5Y 细胞中对染色体结构变化的关键作用研究

《Chromosome Research》：TOP2B is required for compartment strength changes upon retinoic acid treatment in SH-SY5Y cells

为探究 TOP2B 在基因组 3D 结构中的作用，研究人员以维甲酸响应的 SH-SY5Y 神经母细胞瘤细胞系为模型，开展 TOP2B 失活对染色体相互作用模式影响的研究。结果发现 TOP2B 缺失影响维甲酸处理后的染色体区室强度变化等，这为理解染色体动态和组织机制提供了新视角。

　　在生命科学的微观世界里，基因的表达调控和染色体的结构组织一直是科学家们深入探索的神秘领域。DNA 拓扑异构酶 IIβ（TOP2B）作为其中的关键 “角色”，其功能却迷雾重重。已知 TOP2B 在某些发育转录程序以及信号诱导的转录激活中发挥着重要作用，例如在核激素配体如维甲酸（retinoic acid，RA）诱导的转录激活过程中不可或缺。同时，它还与 CCCTC 结合因子（CTCF）和黏连蛋白（RAD21）在基因组位置上富集，暗示着它可能参与染色体环化以及染色体三维（3D）结构的建立和维持。然而，TOP2B 在这些复杂过程中的具体作用机制仍不明确。为了揭开这层神秘面纱，来自美国马萨诸塞大学陈医学院（University of Massachusetts Chan Medical School）和英国纽卡斯尔大学（Newcastle University）等机构的研究人员，针对 TOP2B 展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Chromosome Research》杂志上，为我们理解基因组的奥秘提供了重要线索。

研究人员采用了多种技术方法来深入探究 TOP2B 的功能。其中，Hi-C 技术（一种用于研究全基因组范围内染色体构象的实验技术）是关键手段之一。研究人员对野生型（WT）和 TOP2B 基因敲除（TOP2B^-/-，BKO）的 SH-SY5Y 细胞，在对照生长条件下以及暴露于全反式维甲酸（all-trans retinoic acid，ATRA）5 天后进行 Hi-C 实验。同时，运用 RNA 测序（RNA-seq）技术分析基因表达变化，利用定量 DAPI 荧光显微镜检测细胞周期分布，通过免疫荧光分析核仁形态和黏连蛋白（RAD21）的染色质结合情况等。

研究结果如下：

1. 基因表达和细胞周期：RA 处理使 SH-SY5Y 细胞中许多基因表达发生改变，TOP2B 缺失导致近 1500 个基因表达降低，近 1000 个基因表达升高，并且减弱了细胞对 RA 的转录反应。在细胞周期方面，RA 处理前，WT 和 BKO 细胞的细胞周期分布相似；处理 5 天后，两种细胞系中 G1 期细胞比例均大幅增加，TOP2A 表达下降，而 TOP2B 表达不受 ATRA 影响。
2. 核形态、核仁形状和数量：通过免疫荧光分析，研究人员发现 RA 诱导的分化或 TOP2B 表达缺失与整体核形态变化无关，WT 和 BKO 细胞在 RA 处理前后，核仁的数量、大小和染色强度均无显著差异。
3. 染色体间相互作用：Hi-C 实验结果显示，ATRA 处理后，细胞中染色体间相互作用增加，着丝粒和端粒的聚集减少，染色体臂间相互作用增强。TOP2B 缺失会减弱这些变化，表明 TOP2B 在 ATRA 诱导的染色体间相互作用变化中起到一定作用。
4. 拓扑相关结构域（TAD）：研究发现，TAD 的平均大小和边界绝缘性在 WT 和 BKO 细胞中均未发生变化，且 TOP2B 缺失不影响黏连蛋白 RAD21 的表达和染色质结合，说明 TOP2B 对 TAD 的形成和维持没有明显影响。
5. 区室强度变化：ATRA 处理后，WT 细胞中区室强度增加，而 BKO 细胞中这种增加受到抑制。在 A 区室，WT 细胞中 ATRA 处理在短距离（<20Mb）增强区室强度，长距离（>20Mb）则不变或减弱；BKO 细胞中短距离增加不明显，长距离则减弱。在 B 区室，WT ATRA 处理增强区室强度，BKO ATRA 处理增强幅度较小。这表明 TOP2B 对于 ATRA 处理后区室强度的变化至关重要。
6. 区室变化与基因表达的相关性：综合分析 Hi-C 区室结果和 RNA-seq 数据，研究人员发现部分差异表达基因与区室变化相关。例如，在 BKO 细胞中，ATRA 上调的基因与 A 区室中特征向量 1 值增加的区域相关；在 ATRA 处理下，BKO 与 WT 细胞中表达下调的基因与 B 区室中特征向量 1 值降低的区域相关。

研究结论和讨论部分指出，TOP2B 基因失活对基因组 3D 结构的影响相对较小，尤其是在黏连蛋白环和 TAD 方面没有明显变化。这表明 TOP2B 在转录过程中的需求可能与这些长距离染色质构型无关。那么，TOP2B 在快速诱导基因活性和某些发育程序中的作用机制究竟是什么？这仍然是一个未解之谜。研究人员推测，这可能涉及 TOP2B 介导的基因调控区域的双链断裂（DSBs），或者是在拓扑约束的 TAD 内调节转录相关的超螺旋，而非直接作用于 TAD 的稳定性或动态变化。这项研究为后续进一步探究 TOP2B 的功能奠定了重要基础，有助于我们更深入地理解基因表达调控和染色体结构组织的分子机制，为相关疾病的研究和治疗提供了新的方向。