《Experimental & Molecular Medicine》：3D chromatin architecture in cancer: mechanisms of dysregulation and emerging therapeutic strategies
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三维（3D）基因组构象是协调基因表达、维持基因组完整性及建立细胞类型特异性转录图谱的基础。在癌症中，这种空间基因组构象会因DNA调控元件改变、CCCTC结合因子（CTCF）与黏连蛋白（cohesin）等架构蛋白失调、染色质环异常及拓扑关联域（TAD）的破坏或重
三维（3D）基因组构象是协调基因表达、维持基因组完整性及建立细胞类型特异性转录图谱的基础。在癌症中，这种空间基因组构象会因DNA调控元件改变、CCCTC结合因子（CTCF）与黏连蛋白（cohesin）等架构蛋白失调、染色质环异常及拓扑关联域（TAD）的破坏或重连而发生显著紊乱。此类结构扰动可激活致癌增强子与超级增强子，促进启动子-增强子异常互作，并驱动支持恶性细胞状态的大尺度染色质重编程。包括Hi-C、HiChIP及单细胞3D基因组学在内的高分辨率基因组构象技术的最新进展，已在多种肿瘤类型中揭示出广泛的空间重组现象，阐明了超越线性突变层面的癌症进展机制。本综述整合了当前关于癌症中3D染色质结构改变的认识，阐明了结构失调与肿瘤发生相关联的分子通路，并评估了靶向3D基因组构象的新兴治疗策略，涵盖从表观遗传调节剂到增强子干扰及相分离干预等手段。
引言
癌症细胞的核心特征为转录失调与表观基因组重编程。尽管数十年的研究主要聚焦于DNA序列突变与染色体畸变，但越来越多的证据表明，癌症中许多关键的致病性改变发生在基因组拓扑层面，而非仅局限于DNA序列本身。拓扑关联域（TAD）边界破坏、增强子-启动子环重连、长程染色质互作异常形成及核区室大尺度重组，已在广泛的肿瘤类型中被观察到。这些架构异常可通过异位增强子劫持激活致癌基因，通过绝缘丧失或区室转换沉默抑癌基因，并产生驱动肿瘤异质性与治疗抵抗的转录不稳定性。重要的是，3D基因组改变常与经典遗传及表观遗传损伤协同驱动恶性进展。结构变异（SV），包括缺失、倒位、易位与拷贝数改变，可通过将调控元件重新定位至域边界之外重塑3D景观。与此同时，组蛋白修饰、DNA甲基化与染色质可及性的表观遗传重塑可创造允许性染色质环境，稳定异常环与增强子网络。这种结构与表观遗传机制的汇聚凸显了癌症不仅是基因改变的疾病，也是基因组构象改变的疾病。除机制意义外，癌症3D基因组已成为极具吸引力的治疗靶点。与固定的基因突变不同，基因组构象具有固有的可塑性与潜在可逆性。改变染色质状态的表观遗传药物、干扰增强子活性的抑制剂，以及靶向转录凝聚体与相分离核区室的新兴策略，为治疗性重编程恶性染色质结构提供了新机遇。此外，最近位点特异性表观基因组编辑的进展，使得以高度靶向的方式直接恢复被破坏的染色质边界或重连的增强子-启动子互作成为可能。本综述区别于现有主要关注癌症表观基因组描述性绘图的文献，提供了从机制失调到可操作临床干预的全面转化路线图。研究人员总结了当前关于癌症中3D染色质结构改变的认知，提供了连接基因组拓扑与恶性转录程序的概念框架，讨论了3D基因组的主要结构特征、肿瘤发生过程中这些特征失调的机制，以及拓扑重连对癌症起始、进展与治疗抵抗的功能影响，最后强调了旨在调节或恢复基因组结构的新兴治疗策略，将3D基因组靶向定位为精准癌症医学的新前沿，同时批判性地评估了实现这一临床潜力必须克服的转化壁垒。
基因组的分层结构
基因组以多层嵌套的3D基因组构象分层组织，形成调控基因表达的动态调控框架。在最基础层面，DNA被包装成核小体与更高级别的染色质纤维，随后被排列成将远端增强子与其靶启动子物理连接的染色质环。环的形成主要由黏连蛋白介导的环挤压驱动，边界元件通常由CTCF界定。在更大尺度上，环被组织在TAD内，TAD作为隔离的调控邻域，限制增强子活性作用于合适的靶标。在TAD之上，基因组被分隔为转录活跃的A区室与不活跃的B区室。在最高层级，染色体占据离散的核疆域，并由转录工厂、核仁与Polycomb体等核体进一步组织。这些多尺度的架构特征共同建立了以细胞类型与状态特异性方式协调并稳定转录程序的调控支架。
癌症中的3D染色质失调
异常的基因表达模式会扭曲细胞命运并最终导致癌症。这些异常转录程序被认为受3D基因组构象的动态重塑精细调控。为阐明动态3D染色质重塑如何产生癌症中的异常基因表达程序，研究人员重点介绍了架构破坏的代表性机制，包括基因组重排介导的3D构象重塑、表观遗传修饰介导的调控网络重连、架构蛋白缺陷导致的结构不稳定，以及生物分子凝聚体介导的空间重组。
基因组重排介导的3D构象重塑
结构变异（SV），包括缺失、倒位、串联重复与易位，是癌症中3D染色质重连最强大的驱动因素之一。这些重排可将强效远端增强子重新定位至原癌基因附近，这一现象被称为增强子劫持。通过该机制，致癌基因激活无需编码序列本身的任何改变。经典例子包括多种恶性肿瘤中的MYC激活、T细胞急性淋巴细胞白血病中的TAL1激活，以及髓母细胞瘤中的GFI1/GFI1B激活，原本调控无关发育基因的超级增强子异常连接至致癌靶标。在成人实体瘤中，整合基因组与3D染色质分析显示，SV介导的增强子劫持常导致新环形成，使远端增强子异位作用于结直肠癌、肺癌、乳腺癌与肝癌中的MYC、TERT、CCND1与ERBB2等致癌基因，显著提高其转录输出。在部分肿瘤中，这种调控重连在染色体外DNA或复杂共扩增域内被进一步放大，增强子与超级增强子簇在致癌基因（最显著的是MYC）周围组装成高阶3D调控枢纽，导致新环稳定与极高水平的转录。Hi-C、Capture-C及相关染色质构象分析表明，这些SV驱动的新环形成了可在细胞分裂中持续存在的稳定增强子-启动子互作。此外，体细胞SV与边界弱化损伤常重塑局部TAD结构，使活跃增强子甚至超级增强子溢出至邻近结构域，异常激活多种实体瘤中通常处于隔离状态的原癌基因或可变启动子。尽管SV可主动重连3D染色质以驱动致癌基因激活，但预先存在的3D基因组特征同样会影响体细胞突变的优先积累区域。新出现的证据表明，起源细胞的3D基因组构象——以A/B区室间的独特突变特征与TAD边界的机械应力为特征——可稳健预测区域突变密度。这支持了一种模型：天然3D架构印刻了非随机的突变模板，甚至在恶性转化之前就有效“预设”了基因组景观的特定演化轨迹。最终，空间拓扑与突变景观之间的这种协同作用凸显了癌症既是基因组序列疾病，也是空间拓扑疾病。
表观遗传修饰介导的调控网络重连
癌症细胞利用表观遗传可塑性从根本上重组转录回路，这一过程很大程度上由超级增强子（SE）的获得与劫持驱动。SE代表密集的增强子簇，其特征为转录因子、中介体（Mediator）与BRD4的超高占位。这些结构驱动对细胞身份与存活至关重要的基因的高表达，同时通过长程互作与相分离凝聚体充当3D基因组构象的结构支架。在神经母细胞瘤、髓母细胞瘤与多发性骨髓瘤等多种恶性肿瘤中，癌症细胞常获得肿瘤特异性SE，扩增MYC、MYCN与IRF4等关键致癌基因，从而稳定恶性转录状态。3D染色质定位显示，这些癌症相关SE常作为高度连接的互作枢纽发挥作用。在这些枢纽内，单个层级主导的“枢纽增强子”可作用于TAD或亚TAD内的多个启动子，锚定复杂的调控网络。例如，在MYC驱动的肿瘤中，BRD4导向的SE组织此类多启动子网络；而在多发性骨髓瘤中，以IRF4为中心的SE枢纽维持了耦合IRF4与MYC表达的feed-forward环，强化致癌程序。超级增强子的获得与重连已在结直肠癌、宫颈癌、肺癌与乳腺癌等肿瘤中被报道。肿瘤获得的变异超级增强子常汇聚于MYC、VEGFA与超级增强子相关长链非编码RNA等关键致癌基因，从而驱动增殖、上皮间质转化与器官特异性转移程序。除新SE获得外，致癌信号与组蛋白修饰对现有调控元件的重塑进一步驱动3D结构重连。在肝细胞癌中，磷酸化STAT3（p-STAT3）的持续激活触发一种机制：p-STAT3占据的增强子异常重连染色质环，激活频繁互作区域内的原癌基因。这种环重连稳定了驱动侵袭与血管生成相关基因协同表达的增强子-启动子互作，促进肝细胞癌的侵袭性。重要的是，这些p-STAT3介导的新环即使在STAT3抑制后仍可持续存在，凸显了其在治疗抵抗中的关键作用。此外，架构锚点的表观遗传改变会导致拓扑衰退。具体而言，CTCF结合基序的DNA高甲基化可降低绝缘子强度并削弱TAD边界。IDH突变胶质瘤中PDGFRA位点的高甲基化介导的CTCF结合丧失，以及IGF2/H19位点的类似改变，就是典型例证，其促进了异常增强子-启动子通讯与随后的致癌激活。这种表观遗传驱动的重连有效地重写了基因组的调控逻辑。通过将谱系限制或情境特异性的增强子转化为肿瘤特异性增强子，成为强效致癌驱动因素，癌症细胞将这些元件整合到异常3D调控枢纽中，强化并维持恶性转录程序。
架构蛋白缺陷导致的结构不稳定
3D基因组构象的完整性依赖于维持TAD边界的架构蛋白。正常情况下，TAD边界由反向平行的CTCF结合位点锚定，并由黏连蛋白介导的环挤压调控，形成将增强子-启动子通讯限制在各自结构域内的隔离邻域。在癌症中，这些绝缘屏障的崩溃促进了“增强子溢出”，使强效调控元件得以未经授权地接近邻近原癌基因。一个典型的例子是T细胞急性淋巴细胞白血病中TAL1与LMO2位点附近的边界缺失，允许相邻结构域的增强子元件激活这些致癌基因；髓母细胞瘤中的重排也会重连围绕GFI1/GFI1B及其他驱动因子的TAD架构。除顺式作用的结构重排外，染色质架构调节因子的反式作用突变也直接导致3D基因组不稳定。黏连蛋白复合体的复发性突变——特别影响STAG2、SMC1A、SMC3与RAD21等组分——普遍存在于急性髓系白血病、尤文肉瘤与胶质母细胞瘤中。这些癌症相关变异降低了TAD绝缘强度，改变了环挤压能力，导致长程染色质接触的深刻重塑与细胞身份基因失调。除核心黏连环外，NIPBL与WAPL等黏连蛋白加载与卸载调节因子的失调进一步扰乱环长度、驻留时间与染色质流动性，导致局部转录失衡。同样，CTCF本身的突变、持续性CTCF结合位点的体细胞突变热点，以及DNA甲基化介导的CTCF结合位点破坏，都会损害绝缘子功能，导致边界侵蚀。尽管许多此类架构突变单独不足以启动转化，但它们建立了允许性3D染色质环境，放大致癌增强子与转录因子的影响，从而加速肿瘤进展所需的全局转录重编程。因此，这些架构缺陷降低了从头增强子-启动子互作的屏障。通过维持持续的拓扑不稳定状态，黏连蛋白复合体与CTCF的突变促进了异常调控接触的形成，从而为肿瘤演化与治疗抵抗提供了所需的转录可塑性。
生物分子凝聚体介导的空间重组
在兆碱基尺度上，癌症细胞常表现出核景观的大尺度空间重组，特征是A（活跃）与B（不活跃）区室之间的大尺度转换。这些转换是肿瘤发生与转移过程中高阶基因组重塑的标志。从A到B区室的转换常与稳定的基因抑制相关，尤其是抑癌基因或分化程序；而从B到A的转换则将先前沉默的区域带入转录允许的核环境。这些变化与组蛋白修饰、染色质可及性及长程互作频率的改变密切相关。例如，前列腺癌模型在雄激素受体（AR）应答位点表现出协调的B到A转换，同时在失去结构特征的区域出现A到B转换。此外，转移性乳腺癌与前列腺癌细胞表现出的区室模式与目标器官部分相似，提示器官趋向性相关的架构重组促进了转移适应。与区室重组并行，癌症细胞表现出核纤层相关结构域（LAD）的破坏，LAD通常通过A型与B型核纤层的互作将抑制性染色质锚定在核 periphery。在胰腺导管腺癌、黑色素瘤、侵袭性乳腺癌与前列腺癌中已记录到LAD结构的丢失或重塑，特征是异染色质结构域从核纤层脱离并随后重新定位至核内部。这种空间位移常伴随外周H3K9me2与DNA甲基化的广泛减少，以及这些区域向核内部的重新定位。核膜组分（包括lamin A/B、lamin B1与emerin）的表达改变与错误定位进一步破坏了核架构的稳定性，增加了核变形能力，并与乳腺癌和前列腺癌模型中的侵袭性增强相关，凸显了核定位作为肿瘤进展可调节组分的作用。整合这些大尺度变化，新出现的证据表明，通过液-液相分离（LLPS）形成的生物分子凝聚体是这些空间重组的潜在物理机制。高密度转录枢纽（如超级增强子形成的枢纽）创造了相分离的微环境，稳定A区室身份并促进长程互作枢纽。相反，异染色质凝聚体的溶解可驱动B区室与LAD的侵蚀。区室转换、LAD破坏与相分离凝聚体形成共同反映了一种全局重编程，强化了致癌转录状态，并为癌症细胞适应多样转移环境提供了所需空间可塑性。
癌症中靶向3D染色质构象的治疗策略
尽管直接操控基因组折叠仍是一个新兴的治疗前沿，但多类药物已通过重塑表观遗传状态、增强子活性与核架构，直接或间接影响3D染色质构象。由于基因组拓扑具有固有的动态性与可逆性，这些策略提供了重编程恶性转录生态系统而非仅靶向单一致癌基因的独特机遇。研究人员将这些治疗策略归纳为四大类：3D染色质构象的表观遗传重塑、超级增强子枢纽与生物分子凝聚体的干扰、靶向环挤压动力学与架构蛋白，以及位点特异性3D拓扑的精准工程。
3D染色质构象的表观遗传重塑
表观遗传修饰从根本上控制染色质压缩、环形成与核区室化，使表观遗传调节因子成为3D基因组构象的强大间接调节剂。组蛋白脱乙酰酶（HDAC）抑制剂（如vorinostat（SAHA）与romidepsin）可松弛染色质结构，增加全局可及性并重连增强子-启动子通讯网络，常逆转许多恶性肿瘤的特征性病理性染色质压缩。DNA甲基转移酶（DNMT）抑制剂（包括地西他滨与阿扎胞苷）可恢复先前高甲基化位点的CTCF占位，从而部分挽救被破坏的TAD边界与绝缘子功能，最终通过全面重编程致癌转录网络驱动强大的抗肿瘤反应，包括诱导凋亡与抑制治疗抵抗的肿瘤生长。组蛋白甲基转移酶抑制剂，最著名的是EZH2抑制剂（如tazemetostat），可重塑Polycomb介导的抑制结构域并改变沉默染色质区间的长程互作。通过拆解这些致密堆积的抑制枢纽，这些药物成功再激活沉默的抑癌基因与分化程序，从而产生深刻的抗增殖效应与肿瘤消退。与此同时，BET溴结构域抑制剂（如JQ1与OTX015）干扰BRD4依赖的增强子聚类与超级增强子成瘾，瓦解致癌转录枢纽。总体而言，这些药物通过修饰表观遗传景观调控染色质互作，有效重连癌症细胞的3D调控支架。
超级增强子枢纽与生物分子凝聚体的干扰
超级增强子因其高空间聚集性、密集共激活因子占位及对致癌基因表达的超大转录影响，成为极具吸引力的3D治疗靶点。肿瘤细胞常对MYC、MYCN与IRF4等关键致癌基因的超级增强子驱动转录产生“成瘾”。尽管经典的BET抑制剂（如OTX015）在下调致癌基因与干性标志物方面显示出基线疗效，但BRD4导向的降解剂（如MZ-1、VHL-JQ1与ARV-771）通过消除而非仅抑制BRD4，诱导更深刻的增强子枢纽崩溃。这种不可逆的结构崩溃完全瓦解致癌转录网络，从而在多发性骨髓瘤与三阴性乳腺癌等多种恶性肿瘤中克服治疗抵抗并产生强效协同抗肿瘤疗效。CDK7抑制剂（如samuraciclib）通过阻断RNA聚合酶II激活，抑制超级增强子处的转录延伸，这一靶向机制现已在临床验证可破坏致癌转录，并在晚期耐药乳腺癌中带来显著的临床获益。此外，越来越多的证据表明，转录因子、共激活因子与染色质调节因子在超级增强子与转录工厂处通过LLPS形成生物分子凝聚体。BRD4、MED1、RNA聚合酶II与谱系定义转录因子等核心组分组装成动态的转录液滴，浓缩调控活性。因此，药理学干扰LLPS已成为一种新型治疗概念。诱导核仁应激的药物（如CX-5461）进一步说明了扰动相分离核体如何通过驱动形成强力排斥转录机器的抑制性液滴，选择性损害癌症细胞存活。同样，针对中介体的干扰策略也正在开发中，旨在从其结构核心拆解超级增强子凝聚体。尽管仍处于起步阶段，相分离靶向治疗有望在不全局抑制转录的情况下拆解复杂的致癌增强子-启动子枢纽。最终，这些药物共同通过在3D调控架构层面缩小增强子簇并减弱致癌基因转录发挥作用。
靶向环挤压动力学与架构蛋白
靶向调控基因组折叠的核心架构机制在概念上具有吸引力，但仍处于早期开发阶段。通过NIPBL与WAPL等调节因子调节黏连蛋白加载与卸载动力学，提供了一种调整环挤压长度与驻留时间的潜在手段。近期研究强调，扰动这些动力学会剧烈改变高阶染色质压缩并重连增强子-启动子通讯，从而暴露癌症细胞的选择性脆弱性并拆解必需的致癌程序。临床前工作也在探索干扰CTCF-DNA结合的肽类抑制剂，旨在短暂削弱绝缘子强度并改变结构域结构。通过故意移除这些基础架构锚点，此类干预诱导TAD边界的靶向崩溃，并大规模重连受限的增强子-启动子网络，直接挑战肿瘤的结构依赖性。尽管这些策略尚未进入临床成熟阶段，但它们将基因组拓扑本身确立为可成药调控层。
位点特异性3D拓扑的精准工程
除广泛的架构调节外，近期的合成方法已能在定义的基因组位点进行靶向干预。与黏连蛋白或环形成因子融合的工程化dCas9已证明可编程形成或破坏特定的染色质环。通过故意强制从头增强子-启动子接触或隔离致癌驱动因素，这些靶向系统可精确开启或关闭基因表达状态。这提供了令人信服的概念验证：复杂的架构缺陷可能在特定疾病相关区域得到治疗性修复，而无需全局扰动3D基因组。这些前沿策略代表了向高精度3D基因组编辑的转变，为纠正癌症中的增强子-启动子错接或恢复被破坏的绝缘提供了直接机制。
赋能3D基因组癌症治疗的技术
最近的技术进步通过实现染色质构象的高分辨率定位、功能扰动与实时可视化，迅速扩展了3D基因组研究在癌症中的转化潜力。基于染色体构象捕获的技术（如Hi-C、Micro-C与HiChIP）现在允许在千碱基至核小体水平分辨率上系统识别癌症特异性染色质环、TAD边界破坏与增强子-启动子重连。这些方法揭示了肿瘤特异性互作枢纽、超级增强子驱动的调控回路，以及结构变异产生的新环，从而发现了仅靠线性基因组分析无法检测到的架构脆弱性。单细胞3D基因组技术（包括单细胞Hi-C与整合染色质构象与转录组、表观基因组分析的多模态单细胞方法）的出现，通过实现对瘤内架构异质性的直接 interrog 进一步改变了该领域。这些方法显示，同一肿瘤内的癌症细胞常表现出高度多样的3D基因组构型，这与转录状态、转移潜能和药物抵抗相关。这些见解为理解架构可塑性如何促进肿瘤演化与治疗失败提供了基础。3D基因组构象的功能 interrog 已由基于CRISPR的扰动平台实现。CRISPR干扰或激活（CRISPRi/a）允许靶向调节增强子活性，而直接删除增强子、CTCF边界或环锚点可揭示染色质拓扑与基因调控之间的因果关系。最近，使用基于dCas9的锚定系统进行TAD边界的靶向恢复与合成环工程，已证明病理染色质构象可以以可编程方式进行实验性重连。这些工具为将3D调控概念转化为治疗策略提供了必要的验证框架。与此同时，活细胞3D基因组成像技术（包括实时荧光染色质标记）实现了对活癌症细胞中染色质动力学、环形成与区室转换的直接可视化。这些方法显示，基因组架构是高度动态的而非静态的，可快速响应致癌信号、代谢应激与药物暴露。最后，人工智能与深度学习预测模型的整合使得能够从DNA序列或表观遗传特征进行染色质接触图谱的计算机重建，促进了对癌症特异性架构脆弱性的大规模预测。这些技术共同构成了识别并靶向3D癌症基因组可成药特征的整合实验-计算流程。
挑战与未来展望
尽管进展迅速，但在3D基因组癌症治疗完全实现之前，必须克服若干基本挑战。为成功将这些临床前与早期临床突破转化为精准肿瘤学，该领域必须解决与功能验证、情境特异性、系统级安全性及多组学数据整合相关的关键壁垒。首要障碍在于区分驱动性架构改变与基因组不稳定性产生的普遍性乘客噪音。尽管在个体肿瘤中可检测到数千种染色质互作改变，但只有一部分直接促成致癌转录程序。建立稳健的标准来定义功能性驱动环、边界与区室仍是未满足的重大需求。第二个挑战在于理解基因组折叠的细胞类型与情境特异性，这使架构机制在不同肿瘤类型间的外推变得复杂。相同的结构变异或表观遗传损伤可能根据谱系身份、分化状态与微环境线索产生不同的架构与转录后果。为解决此问题，该领域正从细胞系模型转向直接从原发肿瘤生成3D图谱。重要的是，这些肿瘤来源的连通组显示，尽管大尺度区室相对保守，但精细尺度的增强子-启动子环具有高度的谱系与肿瘤特异性。这种拓扑特异性使源自患者的3D特征成为精确的癌症分类与定制化治疗策略的有力工具。治疗性操控基因组架构也引发了关于脱靶与系统级效应的担忧。由于架构蛋白与表观遗传调节因子具有全局作用，正常组织中必需3D基因组特征的意外破坏可能导致基因毒性或转录不稳定。因此，开发位点特异性与条件激活的架构修饰策略对临床转化至关重要。此外，基于CRISPR的表观基因组与环编辑工具已在实验系统中证明了概念验证，但其转化为治疗手段将需要递送、特异性和长期安全性方面的进一步创新。另一个主要挑战在于将3D基因组数据与包括基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学与代谢组学在内的多组学谱整合，以实现真正的个性化癌症医疗。有效的临床部署将需要能够将患者特异性3D基因组配置转化为可操作治疗决策的预测模型。
结论
癌症日益被认为是基因组架构的疾病，正如它是基因组序列的疾病一样。染色质环、TAD边界、增强子景观与空间区室的病理性破坏不仅是肿瘤发生的伴随现象，更是其主动驱动因素。因此，靶向这些结构紊乱代表了癌症治疗的重大范式转变。尽管存在上述转化障碍，高分辨率3D基因组定位、功能基因组工程与计算建模的汇聚，目前已将基因组拓扑定位为一个可处理且极具前景的治疗维度。随着这些技术的成熟，它们将推动从治疗转录失调的症状转向纠正其结构性根本原因的转变。最终，3D基因组引导的治疗有望通过不仅靶向孤立的致癌基因，还靶向维持恶性细胞状态的复杂高阶调控基础设施，深刻重塑精准肿瘤学。
