中大新闻讯（通讯员欧阳宏）角膜缘干细胞（limbal stem cell，LSC）位于角膜与结膜交界处的角膜缘区域，在角膜上皮稳态维持、角膜透明性和完整性中发挥关键作用。哺乳动物成体干细胞的命运决定、可塑性、功能和特性主要由染色质的表观遗传结构和转录因子协同调控网络决定。这些转录调控信息又编码在染色质三维结构中。真核细胞的染色体通过特定的方式进行有序组装，最终形成染色体高级结构。三维基因组为基因的时空表达调控奠定了结构基础，与组织发育、细胞命运转变、癌症等密切相关。中山大学中山眼科中心欧阳宏教授团队通过研究，发现了影响LSC功能和特性的染色质三维调控景观。
2021年，中山大学中山眼科中心欧阳宏团队在Nature communications上发表题为“Core transcription regulatory circuitry orchestrates corneal epithelial homeostasis”的研究论文，首次绘制了人类LSC的组蛋白修饰（H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3、H3K27me3）和染色质可及性图谱，构建了基于超级增强子与转录因子相互作用的调控网络，发现RUNX1、PAX6和SMAD3（RPS）形成的core transcription regulatory circuitry（CRC）决定了LSC的命运。然而，核心转录因子及表观遗传信息是如何偶联三维基因组调控LSC功能和特性仍然未知。
2022年3月11日，欧阳宏团队在Nature communications上发表了研究论文 “Comprehensive 3D epigenomic maps define limbal stem/progenitor cell function and identity”。 该研究借助Hi-C技术获得了LSC的高分辨率染色质三维互作图谱，揭示了LSC的染色体三维组装，包括A/B compartments、topologically associating domains (TADs)、chromatin loops。并进一步结合表观基因组、转录组、转录因子/CTCF/SMC1结合图谱，通过多组学数据联合分析，解析了染色质三维结构的表观遗传特征，鉴定了超级增强子（SE）和超级沉默子的互作网络及关键转录因子的三维调控机制，阐明了影响LSC功能和特性的染色质三维调控景观。
图1. 研究流程模式图
研究人员首先通过Hi-C数据在LSC中鉴定了A/B compartment、TAD和chromatin loop，并进一步揭示激活（H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3）和抑制（H3K27me3、H3K9me2）的组蛋白修饰在三维空间结构上分布规律。特别地，一部分H3K4me3阳性的激活启动子之间会相互作用形成P-P loop结构。有趣的是，形成loop的两个启动子对应基因的表达水平存在显著差异，其中一个promoter高表达，而另一个则低表达或不表达。由此推测，P-P loop中低表达或不表达的H3K4me3阳性启动子此时可能扮演了增强子的角色。
研究人员将富含H3K27me3和H3K9me2的区域定义为超级沉默子。超级沉默子具有细胞特异性，更倾向于与同类型的转录抑制区域互作。与普通沉默子相比，超级沉默子是一段更大的区域，但是具有更低的互作频率。超级沉默子覆盖或互作的基因都展示了转录抑制。在病理状态下，角膜组织的临床表现包括炎症、血管入侵、角质化、角膜结膜化、鳞状细胞癌等。进一步研究发现，正常LSC中的超级沉默子覆盖和互作的基因与眼发育、角膜上皮分化、免疫激活、血管生成、角质化等相关。特别地，在正常LSC中，结膜上皮基因、干眼症关键基因MMP9和鳞状细胞癌致癌基因等均被超级沉默子抑制。有趣的是，这些疾病基因的启动子是H3K4me3/H3K27me3阳性的bivalent状态，处于准备激活状态。此外，原癌基因SOX2和皮肤上皮基因KRT1在被超级沉默子抑制的同时还与远端的超级增强子相互作用，形成active-inactive pairwise contacts，为转录激活做好了准备。因此，该研究揭示了疾病基因被抑制和激活的染色质三维表观结构基础。
图2. LSC中的超级沉默子抑制角膜疾病相关基因的表达
该研究进一步绘制了由SE-SE和SE-P loop形成的互作网络，发现部分SE会与多个启动子互作，部分启动子也会与多个SE互作，一些SE通过与启动互作的SE相互作用间接调控基因表达，形成了SE interaction hub。SE介导的互作loop限制在CTCF/cohesin-CTCF/cohesion 建立的insulated neighborhoods当中。综上，团队进一步构建了p63/RPS介导的SE-P互作网络，揭示了关键转录因子的三维调控机制。
图3. 编码在LSC多层级基因组结构中的三维调控景观
中山大学中山眼科中心、眼科学国家重点实验室为本论文第一作者单位。李名森副研究员为本论文的第一作者，欧阳宏和刘奕志两位教授是本论文的通讯作者。
