心肌病相关lamin A突变通过液-液相分离驱动染色质三维结构重塑

本研究针对扩张型心肌病(DCM)相关lamin A突变体K97E/E161K，通过整合共聚焦成像、三维荧光原位杂交(3D FISH)和粗粒化聚合物模拟，首次揭示突变体通过液-液相分离(LLPS)形成核内凝聚体，破坏核纤层-异染色质(H3K9me3)互作网络，导致染色体13/9等富含异染色质区域的空间定位异常。该发现为理解核纤层蛋白介导的基因组三维组织机制及心肌病发病机理提供了新视角。

　　

在细胞核这个精密调控的微宇宙中，核纤层蛋白(lamin)构成的网状结构如同"细胞骨架"，不仅维持着核膜的机械稳定性，更是基因组三维空间组织的关键调控者。其中A型核纤层蛋白(lamin A/C)的突变与14种人类疾病相关，包括致死率极高的扩张型心肌病(DCM)。尽管已知近200个LMNA突变会导致DCM，但这些突变如何通过改变核纤层结构进而影响染色质空间组织，最终引发心脏功能障碍，仍是未解之谜。印度萨哈核物理研究所生物物理学与结构基因组学分部的研究团队将目光聚焦于临床常见的两个DCM相关突变——位于lamin A杆状结构域的K97E和E161K，通过多学科交叉研究揭示了这些突变通过相变行为重塑基因组三维结构的全新机制。

研究主要采用四种关键技术：1) 构建lamin A野生型(WT)及突变体的EGFP标记质粒，通过免疫荧光和Western blot验证表达；2) 三维荧光原位杂交(3D FISH)分析染色体13/9/17/19的空间定位；3) 荧光漂白恢复(FRAP)技术定量lamin动态特性；4) 建立包含2140个珠子的粗粒化聚合物模型，模拟lamin-染色质-核膜相互作用网络。

Lamin A突变体形成核内凝聚体并破坏异染色质组织

研究发现K97E和E161K突变导致核纤层结构瓦解，形成核内lamin凝聚体。通过theta平均径向强度分析显示，WT中lamin主要分布于核周边(峰值在膜区)，而突变体出现核内峰值。定量分析表明突变体核纤层-膜连接减少60%，且E161K的凝聚体数量多于K97E。与lamin分布变化同步，异染色质标记物H3K9me3在WT中呈外周分布，而在突变体中向核内迁移，其中K97E的异染色质重排更为显著。

聚合物模型解析相互作用网络失衡机制

通过调整三个关键相互作用参数——lamin-lamin(ε_LL)、lamin-异染色质(ε_HL)和lamin-膜(ε_ML)的强度，研究成功复现了实验表型。模拟显示：WT需要强lamin-膜作用(ε_ML=8.5)和适度lamin-异染色质作用(ε_HL=1.25)；E161K表现为中等膜作用(ε_ML=3)但强lamin自聚集(ε_LL=2.25)；K97E则完全丧失膜作用(ε_ML=WCA)且lamin-染色质作用减弱(ε_HL=0.5)。这种相互作用失衡导致异染色质从核周边解离。

染色体空间定位呈现HC含量依赖性改变

3D FISH实验验证了模拟预测：在富含异染色质的染色体13和9中，突变体导致显著的内向迁移——K97E的平均径向距离增加40%，而基因密集的染色体17/19定位不变。共定位分析显示WT中lamin-染色体13的Pearson系数为0.26，而E161K/K97E分别降至0.09/0.04，证实lamin-染色质互作减弱。聚合物模拟进一步发现，高异染色质含量(f_HC=0.4)的染色体片段在突变体中呈现明显的内向位移，而低含量(f_HC=0.1)片段不受影响。

突变体凝聚体展现液-液相分离特征

FRAP实验揭示突变体凝聚体具有典型LLPS特征：K97E/E161K的移动分数分别达22.37%/17%，显著高于WT核纤层(3.98%)。时间动态显示K97E的恢复半衰期(T_1/2=4.21s)快于E161K(4.81s)，与模拟预测的动力学差异一致。活细胞成像捕捉到凝聚体的融合/分裂事件，平均圆度达0.9(完美圆=1)，且可被1,6-己二醇溶解，进一步证实其液态性质。

这项发表于《Nucleic Acids Research》的研究首次阐明DCM相关lamin A突变通过相变行为破坏基因组空间组织的分子机制。其重要意义在于：1) 建立lamin-染色质相互作用的定量模型，为理解核纤层病提供理论框架；2) 发现染色体定位改变具有异染色质含量依赖性，解释不同基因组区域的易感性差异；3) 揭示突变体相分离倾向与熵变的关系，为开发小分子干预策略奠定基础。这些发现不仅深化了对核纤层蛋白调控基因组三维结构的认识，也为心肌病的精准诊疗提供了新思路。