体细胞高频突变（somatic hypermutation，SHM）是 B 细胞产生抗体多样性和高亲和力抗体的重要机制之一。该过程发生于次级淋巴组织中的「生发中心」（germinal center，GC），依赖活性化胞苷脱氨基化酶（activation-induced cytidine deaminase，AID）在免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）基因可变区引入点突变，从而促进高亲和力抗体的形成。然而，SHM 发生脱靶时，AID 也可能在非 Ig 基因组区域引入异常突变或诱发染色体易位，进而造成 B 细胞淋巴瘤（B cell lymphoma）的发生。既往研究表明 [1]，三维基因组结构可能参与 SHM 的调控，但三维基因组及其关键结构因子如何影响 SHM 仍有待进一步阐明。
针对这一问题，2026 年 7 月 23 日，耶鲁大学王思远教授团队联合 David Schatz 教授团队在 Science 期刊发表了题为 A 3D genome atlas of human tonsil and the role of loop extrusion in B cell somatic hypermutation 的文章，首次构建了人类扁桃体的单细胞三维基因组图谱，阐释了染色质高阶结构以及 DNA 环挤压（DNA loop extrusion）对 SHM 的调控作用。
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https://doi.org/10.1126/science.adw4243
人类扁桃体三维基因组图谱
研究团队将王思远组此前开发的基于成像的 Multiplexed Imaging of Nucleome Architectures（MINA）技术 [2] 首次应用于人体扁桃体样本，实现了染色质描绘（chromatin tracing）、RNA MERFISH 与免疫荧光成像的联合分析。同时，研究团队还将基于测序的 Droplet Hi-C 技术 [3] 首次应用于人类扁桃体。两种技术相结合，系统刻画了 B 细胞成熟的各个阶段以及其他细胞类型的三维基因组特征。
例如，研究团队在各尺度观测到大量细胞类型特异性三维基因组特征，并系统分析了 B 细胞发育过程中染色质 A/B 区室化的变化以及基因相关结构域（gene associating domain，GAD）中染色质互作强度（GAD score）的变化。结果表明，关键基因的区室化状态与 GAD score 在细胞身份转变过程中呈现出与基因表达相关的动态变化。此外，该单细胞图谱还描绘了跨细胞类型保守的三维基因组结构模式。
图: 构建人类扁桃体三维基因组图谱
染色质三维结构与 SHM 易感性相关
研究团队在此前的工作中发现，拓扑相关结构域（topologically associating domains，TADs）界定了 SHM 的易感区域，从而鉴定出 SHM 的易感 TADs（hot TADs）与不易感 TADs（cold TADs）[1]。在这次的工作中，通过新的基于成像的三维基因组数据，研究团队分析了 hot TADs、cold TADs 及其他基因组区域在细胞核内的空间分布，发现 cold TADs 之间表现出显著更短的相对距离。进一步的染色质径向分布分析发现，cold TADs 更倾向于分布在细胞核更加内部的区域，表现出较低的径向分布数值。这一核内定位特征广泛存在于不同 B 细胞亚群及其他细胞类型中，并不具有突出的细胞类型特异性。值得注意的是，该特征在 naïve B 细胞向生发中心 B 细胞转变的过程中得到加强，可能进一步保护 cold TADs 免于 SHM 的靶向。研究团队对 cold TADs 的分布提出了可能的解释：在细胞分裂间期，AID 主要（>90%）定位于细胞质中。Ig 区域的 AID 介导脱氨基化主要发生于细胞分裂后 G1 早期，此时核膜完成重建且 AID 被快速转运出细胞核。因此，分布于细胞核内部的 cold TADs 与 AID 接触机会较少，从而降低了 SHM 靶向并避免了高频突变。
研究团队还发现 hot TADs 中的基因区域相比 cold TADs 基因区域呈现出更强的染色质互作。这一结果与研究团队此前的研究结果相呼应：参与 cohesin 介导 DNA 环挤压的关键装载因子 NIPBL 在 hot TADs 中高度富集 [1]。新结果进一步提示，cohesin 介导的环挤压过程及局部染色质三维结构可能在 SHM 调控中发挥重要作用。
Cohesin 复合物调控 SHM
为了进一步研究环挤压过程与 SHM 的关联，研究团队构建了 cohesin 成分蛋白 Rad21 的诱导性降解细胞系，发现 Rad21 降解在不影响 AID 表达以及细胞周期的时间尺度内，完全消除了 SHM 产生的突变。通过在不同时间点对比对照组与 Rad21 降解组的突变积累，研究团队发现在对照组的突变刚积累到可检测水平时（6-12 h），Rad21 降解组的 DNA 突变就已经消失了。为了进一步分析 Rad21 降解如何影响 SHM 的发生，研究团队于 Rad21 降解后不同时间点，通过染色质描绘、3C-HTGTS、TT-TimeLapse-seq 以及 CUT&RUN 技术，分析了包括染色质三维结构和相互作用、RNA 转录状态以及 AID 与染色质结合状态的一系列特征。研究发现，伴随着 SHM 在 Rad21 降解 6 h 后的消失，不同位置的三维染色质相互作用在不同时间点丧失，有的在 2 h 就已丧失。转录活动在多个 SHM 靶向基因上部分降低，但在 12 h 仍旧大量维持。AID 与染色质的结合在 6 h 时出现一定量下降，在 18 h 时消失。这些结果表明，cohesin 复合物可通过影响染色质三维结构、基因转录活性及 AID 招募等多个层面的分子机制，决定 SHM 的发生与分布。
图: 摘要与模型总结
总结
本研究系统刻画了与 SHM 相关的三维基因组结构特征，并解析了 cohesin 复合物在 SHM 调控中的关键作用。基于上述发现，研究团队构建了 SHM 的调控模型：cohesin 复合物介导的环挤压过程通过维持局部染色质结构、活跃的转录环境及 AID 的结合，促进 SHM 的发生。此外，细胞核尺度上的染色质径向分布进一步影响 SHM 对不同染色质区域的靶向偏好。各机制共同决定 SHM 的靶向性。该研究为理解三维基因组结构与功能之间的关系、抗体多样性形成的调控机制以及 B 细胞淋巴瘤的发生机制提供了重要参考。
耶鲁大学遗传系与细胞生物学系的王思远教授与免疫学系的 David Schatz 教授为本文的共同通讯作者，耶鲁大学博士后程育宝博士，王建姝博士和张源博士为本文的共同第一作者。
王思远教授组网页：
https://campuspress.yale.edu/wanglab/
王思远教授组招聘链接：
https://campuspress.yale.edu/wanglab/postdoc-positions-available/
原文链接：
https://doi.org/10.1126/science.adw4243
参考文献：
1. Senigl, F., et al., Topologically Associated Domains Delineate Susceptibility to Somatic Hypermutation. Cell Rep, 2019. 29(12): p. 3902-3915 e8.
2. Liu, M., et al., Multiplexed imaging of nucleome architectures in single cells of mammalian tissue. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 2907.
3. Chang, L., et al., Droplet Hi-C enables scalable, single-cell profiling of chromatin architecture in heterogeneous tissues. Nat Biotechnol, 2025. 43(10): p. 1694-1707.
