基因組空間構象對于基因調控很重要，但我們對人類(lèi)三維基因組結構的認識才剛剛起步。在本周的Nature中，Flavahan等人報導了通過(guò)突變的IDH1生成的異常代謝產(chǎn)物可能主要通過(guò)改變DNA的三維構象驅動(dòng)癌癥。

　　在世紀末的發(fā)現編碼異檸檬酸脫氫酶1（IDH1）的基因變異往往與膠質(zhì)瘤，腦腫瘤最常見(jiàn)的形式相關(guān)，這是意想不到的。IDH1蛋白參與檸檬酸循環(huán)代謝的過(guò)程，幾乎在所有的細胞用于產(chǎn)生能量，而只是在2008年被聯(lián)系到癌癥。

　　突變的IDH1轉換三羧酸循環(huán)分子異檸檬酸為異常代謝產(chǎn)物抑制TET酶。TET酶的作用是除去DNA上的甲基。甲基化的存在可以改變基因的表達，防止一些蛋白質(zhì)的結合。啟動(dòng)子序列過(guò)量的甲基化，可以讓腫瘤抑制基因沉默，導致癌癥。已經(jīng)證明抑制TET酶導致在IDH1突變的腫瘤超甲基化。然而，在這些腫瘤重的啟動(dòng)子超甲基化一般不與基因表達的變化相關(guān)，提示癌癥相關(guān)的甲基化變化可能發(fā)生在其他DNA序列。

　　除了啟動(dòng)子區域，基因的表達可以被染色質(zhì)的三維結構所調節。染色質(zhì)的結構是非常復雜的，是由稱(chēng)為拓撲關(guān)聯(lián)域（TADS）進(jìn)化上保守的回路所定義。例如DNA序列之間的相互作用，使啟動(dòng)子和遠處的增強子接觸激活基因表達。這種相互作用在TADS中是更常見(jiàn)的。

　　TADS是由DNA結合蛋白如CCCTC結合因子（CTCF）彼此隔絕的。刪除包含一個(gè)CTCF結合位點(diǎn)的DNA序列，已被證明會(huì )導致點(diǎn)的結構和基因的表達的變化引起肢體畸形。這強調了保持這些界限的重要性。值得注意的是，CTCF結合對DNA甲基化的變化敏感。

　　Flavahan等人表明CTCF結合位點(diǎn)的一個(gè)子集在IDH1突變的膠質(zhì)瘤中是甲基化的，與CTCF結合位點(diǎn)隨之減少。利用上百個(gè)膠質(zhì)瘤和正常腦組織的基因表達數據，并使用從不同的細胞系的三維染色體構象數據，研究者發(fā)現了以前未知的TADs和膠質(zhì)瘤突變的IDH1基因表達之間的相關(guān)性，提示TAD的邊界可能被打破。

　　突變的細胞相關(guān)數百對基因，在跨越打破的TAD的邊界。其中，PDGFRA和FIP1L1是最高度表達。PDGFRA基因是一個(gè)做進(jìn)一步研究極有吸引力的候選，因為這是一個(gè)研究得很透徹的癌基因（突變激活或過(guò)表達時(shí)促進(jìn)癌發(fā)生）。它在20%的重度膠質(zhì)瘤中基因擴增。作者發(fā)現，在較低程度的IDH1突變的膠質(zhì)瘤，在PDGFRA和FIP1L1之間的TAD邊界的CTCF站點(diǎn)是甲基化的，且與CTCF結合減少。因此，雖然產(chǎn)生的較低和較重程度的腫瘤的機制不同，PDGFRA表達的增加，可能是膠質(zhì)瘤的一個(gè)常見(jiàn)的主題。

　　Flavahan和他的同事發(fā)現，在IDH1沒(méi)有突變的膠質(zhì)瘤細胞中，PDGFRA基因啟動(dòng)子與自己的增強子強烈作用?；?dòng)模式與IDH1突變的腫瘤明顯不同。在這里，有PDGFRA基因啟動(dòng)子和不相關(guān)的FIP1L1增強子之間有強烈的相互作用，盡管這兩個(gè)遺傳基因是由近90萬(wàn)個(gè)堿基對分開(kāi)。這種異常的相互作用是PDGFRA基因啟動(dòng)子和自己的增強子之間大約五倍。這些結果表明，超甲基化打破邊界可以允許FIP1L1增強子與 PDGFRA基因啟動(dòng)子相互作用，基因表達增加。

　　確認DNA的甲基化是他們觀(guān)察到的PDGFRA表達升高的原因，作者用降低DNA甲基化的藥物處理IDH1突變的細胞。在與他們的假設一致，減少CTCF結合位點(diǎn)的甲基化，會(huì )增加CTCF結合和減少PDGFRA表達。相反，實(shí)驗打斷缺乏IDH1基因突變細胞的CTCF結合位點(diǎn)導致PDGFRA表達增加。因為在增強子-啟動(dòng)子的相互作用的變化產(chǎn)生了可改變的表達，但這是沒(méi)有辦法直接測試的。PDGFRA基因的高表達，與未處理的細胞相比細胞生長(cháng)翻了一番。這表明，在IDH1突變的膠質(zhì)瘤細胞中和沒(méi)有突變的細胞相比，增加的PDGFRα蛋白提供一種選擇性生長(cháng)優(yōu)勢，

　　Flavahan和他的同事的研究側重于數百個(gè)中的一個(gè)CTCF位點(diǎn)，所以其他原癌基因在IDH1突變的腫瘤中也可能是由新形成的增強子–啟動(dòng)子作用激活。許多新激活的基因也可能是沒(méi)有任何功能性的后果。CTCF位點(diǎn)的甲基化狀態(tài)和增強子在不同類(lèi)型的細胞中，活性有著(zhù)很大的不同。這表明在重癥膠質(zhì)瘤、結腸癌、淋巴瘤、白血病和其他IDH1突變的癌癥中分析3D染色體構象可以揭示基因組甲基化不同的目標。這些目標可能還包括除了CTCF甲基化敏感的因子的結合區域。

　　在IDH1突變的腫瘤中IDH1抑制劑治療后，異常超甲基化持續存在。這和DNA甲基化程度是高度穩定的事實(shí)是一致。目前的研究建議超甲基化參與了癌癥的轉變，這種穩定性可能對患者IDH1抑制劑的治療是個(gè)挑戰。解開(kāi)DNA的甲基化對基因失調的影響，將導致對TET和其他酶的下游驅動(dòng)的IDH1突變的癌癥細胞的演化以更完整的調查。Flavahan及其同事的研究提供了一個(gè)全新的視角來(lái)進(jìn)行未來(lái)的研究。