染色质三维结构是一个近2米长的基因组精细折叠在10-20 um的细胞核里[1]，从而在空间上组织形成的三维层级结构，包括隔室（A 或 B）、拓扑关联域 (TAD) 和染色质环，这些结构受到细胞内相分离的调控[2]。相分离是一种常见的物理现象，细胞中相分离无处不在，像往水里点油一样，蛋白质或者其它生物大分子在细胞中形成多种聚集以互不干扰地工作[3]。疾病的发生发展与细胞命运转变过程中都存在染色质结构与细胞内相分离的动态变化，这些变化与基因表达密切相关，被认为是疾病发生与细胞命运决定中重要的分子机制。越来越多的研究揭示相分离调控染色质三维结构影响基因表达导致许多疾病的发生，尤其是癌症、发育障碍和心脏病。掌握相分离如何调控染色质结构，以及二者动态变化异常如何导致疾病发生是目前亟待解决的问题和研究的热点。该综述聚焦于染色质三维结构和相分离在癌症、神经退行性疾病、发育障碍等其他疾病中的动态规律，并提出二者相互协同共同影响疾病发生的可能模型。
一、染色质三维结构与蛋白质相分离可调控细胞命运转变
随着细胞分化程度的不断提高，不同层级的染色质结构以及细胞内蛋白的相分离状态也发生剧烈变化，而这些变化对于推动细胞命运转变的进行起到重要作用。TAD通常被认为是一种相对保守的结构，在不同物种和同一物种的不同细胞之间趋于稳定。然而近年来的研究发现，在细胞分化的过程中，TAD的数量减少、大小增加，而在体细胞重编程过程中， TAD数量增加、大小减小，提示细胞命运转变过程中存在TAD的重组[4] 。染色质三维结构不仅在细胞命运转变中发生变化，可以调控细胞命运转变。通过人为操控TAD的融合，可以促进体细胞重编程效率的提高[4]。蛋白的相分离也可以调控细胞命运转变，重编程核心因子OCT4诱导体细胞重编程的功能依赖其相分离性质[5]。
染色质三维结构异常可导致许多疾病的发生，包括发育障碍、早衰、癌症等[6]。（1）发育障碍 染色质三维结构的破坏会通过改变基因表达从而导致发育障碍，例如先天性肢体畸形。增强子ZRS突变或ZRS周围CTCF结合位点的缺失可导致Shh和ZRS之间的相互作用减少，最终导致Shh表达失调[7]，诱发先天性肢体畸形。（2）早衰 染色质三维结构的破坏也可通过基因表达导致细胞衰老，最终会导致早衰症等一系列的相关疾病。LMNA 1824 位处的点突变引起的早衰性椎板病变。在早衰症患者的成纤维细胞中， 12%的隔室会发生转变[8]。（3）癌症 染色质三维结构异常可以发生在不同的层次结构中，对癌变产生影响。例如乳腺癌细胞中近12%的基因组区域显示隔室转换[9]。TAD边界的缺失导致TAL1和LMO2激活，最终导致T细胞急性淋巴细胞白血病[10]。基因组上的异常结构因子结合导致TAD和染色质环的解体，并最终诱发癌症。结构因子CTCF结合位点的高甲基化导致TAD边界处CTCF结合的丧失，从而通过与其增强子的持续相互作用导致异常激活癌基因PDGFRA，最终诱发神经胶质瘤发生[11]。（4）其他疾病 染色质三维结构异常与心脏病、内分泌疾病、自身免疫性疾病、传染病和椎板病之间都存在相关性，其中被报道最多的是心脏病。心脏病患者的LMNA基因突变加强了隔室分离并改变Lamin相关域(LAD)的比例，重新分布的LAD增加CpG甲基化水平从而抑制基因表达，最终诱发扩张型心肌病[12]（见图1）。
图1 染色质三维结构异常导致疾病发生
（图源：Lili Fan et al., Life Medicine, 2023）
疾病相关蛋白的相分离异常可导致许多疾病的发生，其中被报道最多的是神经退行性疾病和癌症[13]。（1）神经退行性疾病 不溶性蛋白聚集是典型的相分离转变，也是神经退行性疾病中最常见的病理表型，包括帕金森病中的SNCA[14]、阿尔茨海默病中的TAU聚集[15]亨廷顿病中的HTT聚集[16]、应激肌萎缩侧索硬化（ALS）和额颞叶痴呆（FTD）中的颗粒蛋白聚集[17]。（2）癌症 由基因突变引起的相分离位置、成分或聚集状态的变化均可以推动癌症的发展[18]。研究表明，由于组蛋白突变H3K27M，导致染色质凝聚物和基因表达被破坏导致脑干胶质瘤发生[19]。因此，更深入地了解疾病中的相分离机制，可为疾病治疗提供新的靶标和方案（见图2）。
图2. 相分离异常导致疾病发生
（图源：Lili Fan et al., Life Medicine, 2023）
最近的研究表明，核内的相分离可以直接调控染色质三维结构的重组[4]。丁俊军教授课题组的研究证明，多能因子OCT4的相分离通过调节TAD重组有助于体细胞重编程[4]，结构因子CTCF可通过形成相分离调控远距离隔室A之间的染色质互作[2]，而破坏细胞内所有的相分离，染色质结构也会发生各层级的系统改变[20]。这些研究都说明相分离可与染色质三维结构协同导致疾病，因此，作者提出二者如何协同影响疾病发生的可能模型。在细胞命运转变过程中，细胞内相分离调控着染色质结构的动态变化，这些变化与基因表达密切相关，最终诱导疾病的发生。（见图3）
图3. 相分离调控染色质三维结构并与疾病发生的关系
（图源：Lili Fan et al., Life Medicine, 2023）
目前越来越多的研究集中在相分离是否参与染色质三维结构的调控，但调控因子为何要经过相分离才能发挥作用，仍有待确定。另一方面，需要进一步研究来阐明染色质三维结构在相分离调控中的作用，并且必须开发新的方法或算法以进一步解析染色质三维结构与相分离之间的调控关系。而且，在疾病中，相分离和染色质三维结构如何协同导致疾病的机制还不清楚，值得进一步研究。
