首都儿科研究所张霆/北京协和医院谢秋团队揭示叶酸缺乏致神经管缺陷的三维基因组机制

1、研究背景：

神经管缺陷（Neural Tube Defects, NTDs）是最常见且严重的出生缺陷之一，在全球范围内发生率为1.86‰，中国北方地区高达13.9‰。尽管孕前补充叶酸可有效预防约70%的NTDs发生，但其具体的分子机制长期以来尚未明确。

2、文章概述：

近日，首都儿科研究所张霆研究员与北京协和医院谢秋副研究员团队首次从“三维基因组”层面揭示了叶酸缺乏导致NTDs的机制。研究表明，叶酸缺乏可引起胚胎细胞中DNA双链断裂（DSBs）大量积聚，破坏染色质三维结构，进而导致神经管闭合相关基因的表达失调。研究人员发现，在叶酸缺乏诱发的NTD小鼠模型中，存在大量与三维基因组结构破坏相关的DNA双链断裂。发生在活性基因中的DSBs会导致RNA聚合酶II（Pol II）停滞和三维基因组中R环的形成。基因组区域中DSBs的比例与基因转录起始位点的距离呈负相关。近端和远端增强子中的DSB比例显著升高，并诱导了活跃锚点处的染色质环移位。此外，在临床低叶酸NTDs胎儿脑组织中，神经管闭合相关基因也存在DSB相关的染色质环失调。

3、图文导读：

研究团队通过甲氨蝶呤（MTX）构建叶酸代谢障碍NTD小鼠模型，并综合运用RNA-seq、Hi-C、ChIP-seq、ATAC-seq及CRISPR/Cas9基因编辑等多技术手段，首先发现NTD组织中存在大量DSBs及三维基因组结构破坏：小鼠脑和脊髓组织中出现数千个染色质环的丢失或新增，且染色质环改变与神经管发育关键基因（如Zeb1、Ascl1、Sox6等）的表达异常直接相关。其次，DSBs分布具有基因组偏好性：DSBs显著富集于转录活跃区域（如启动子、增强子），且与组蛋白修饰区域（H3K4me3、H3K27ac等) 高度重叠，其比率与距离转录起始位点（TSS）的远近呈负相关。此外，DSBs通过破坏染色质环影响基因表达：研究发现，DSBs富集的“繁忙锚点”更易发生环结构位移，导致神经管闭合相关基因（如Ift122、Axin2等）表达失调，这一现象在人类NTD胎儿脑组织中得到验证。

 【图 1】MTX处理小鼠胚胎干细胞（mECSs）诱导DSBs富集的“繁忙锚点”更易发生环结构位移。（A）箱线图显示层级结构域（TADs）内DSB信号与基因表达的相关性。（B）柱状图展示来自三组小鼠 Hi-C 数据的染色质环计数。（C）APA 分析验证特定环的定位。

（D）热图展示甲氨蝶呤处理后，小鼠胚胎干细胞、脑或脊髓中特定环（3361 个）的保守模式（获得或丢失）。（E）维恩图显示位于变化环锚点的双链断裂与全基因组双链断裂的重叠情况。（F）“活跃锚点” 与 “正常锚点” 的示意图。（G）柱状图详细展示按锚点活性（活跃或非活跃）分类的特定染色质环锚点的发生率。

【图2】人类神经管缺陷（NTD）中与双链断裂（DSB）相关染色质环相关的 NTD 基因表达异常。（A）DSB 和染色质环变化的基因与基因表达变化或 NTDs 共定位。（B）箱线图比较 12个 NTD候选基因在健康对照和 NTD 婴儿样本中的标准化 mRNA 水平。（C）CRISPR/Cas9 基因编辑技术删除 Ift122 基因座中DSB 热点附近的一个差异环引起基因表达调控改变。

4、结论：

团队系统阐明了叶酸缺乏通过诱导DSBs发生继而破坏三维基因组结构导致神经管发育异常的作用机制，不仅深化了对NTDs病因的理解，也为相关出生缺陷的发生机制和靶向干预提供了新的诠释。

论文信息：

Excessive DNA Double-Strand Breaks–Associated Three-Dimensional Genome Reorganization Contributes to Neural Tube Defects with Folate Deficiency

Ting Zhang^*, Lin Lin, Jianting Li, Caihua Li, Shengjun Liang, Xuemei Bai, Fang Wang, Yihua Bao, Dan Guo, Xiaochen Bo, Hao Li ^*, Hebing Chen ^*, Qiu Xie ^*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202410603