胶质母细胞瘤（GBM）是成人中最具致死性的原发性脑肿瘤，因其预后不良、中位生存期短以及对常规疗法产生抵抗而给治疗带来巨大挑战。替莫唑胺（TMZ）作为胶质母细胞瘤的标准一线化学治疗药物，通过延长患者生存期显著提高了生存率。

然而，这些获益通常是短暂的，约90%的患者会对TMZ产生耐药性并出现术后复发。已有研究揭示了导致TMZ耐药的多种机制，包括MGMT基因的表达、DNA修复能力增强、表观遗传修饰改变以及肿瘤微环境因素的变化。尽管如此，介导获得性TMZ耐药的确切过程仍不清楚，这凸显了该领域存在显著的知识空白。因此，迫切需要更全面的研究以深入理解耐药机制，并为胶质母细胞瘤开发更有效的治疗策略。

哺乳动物基因组在细胞核内组织成三维（3D）高级结构。这种组织结构包括活性或非活性隔室、拓扑关联结构域（TADs）以及局部染色质环。可及染色质域（ACDs），亦称开放染色质区域，其特征是染色质包装密度较低。

这种可及性对于基因表达和DNA修复过程的调控至关重要，因为它使得转录因子及其他DNA结合蛋白能够更易于接近DNA。在癌症背景下，大量证据表明染色质可及性在影响细胞对治疗干预的反应中起着关键作用。然而，染色质可及性影响胶质母细胞瘤对TMZ反应的具体机制仍有待深入阐明。

模式机理图（图片源自Nature Chemical Biology）

组蛋白乙酰化在调控染色质可及性方面具有核心作用。组蛋白蛋白上赖氨酸残基的乙酰化修饰中和了其正电荷，减弱了组蛋白与DNA之间的相互作用。这导致染色质结构更为松散，从而促进转录因子及其他DNA结合蛋白的结合。

此外，组蛋白乙酰化还能促进由CCCTC结合因子（CTCF）介导的染色质环的形成。这些染色质环使远距离的基因组区域在空间上相互靠近，从而实现了对基因表达至关重要的调控元件之间的交互作用。组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）对组蛋白乙酰化的动态调节，对于维持染色质可及性和基因组稳定性至关重要。然而，HATs和HDACs在胶质母细胞瘤TMZ耐药中的具体作用尚不明确。

在另一项相关研究中，作者先前开发了一种超分辨显微技术——3D ATAC-PALM，用于绘制可及染色质位点在三维细胞核内的分布。该成像方法将转座酶可及染色质测定（ATAC）与荧光染料标记及光激活定位显微术（PALM）相结合，为揭示染色质可及性及其与基因组组织关系的、以往无法获取的空间细节提供了一种独特的补充性研究手段。

重要的是，由于该技术能够在单细胞分辨率下测量染色质可及性，它成为探索细胞异质性的理想工具。这对于研究包含异质性细胞群体的复杂组织环境（如肿瘤）尤为重要。

在本研究中，作者采用了一种创新的随机光学重建显微术（STORM）方法，称为3D ATAC-STORM。该方法提升了染色质可及性图谱绘制的空间分辨率，实现了更广阔的成像视野和更快的成像速度。通过将3D ATAC-STORM与ATAC-seq、高通量染色体构象捕获（Hi-C）及启动子捕获Hi-C技术相结合，作者探究了染色质可及性对胶质母细胞瘤TMZ耐药的影响。

作者的研究结果表明，对TMZ的反应性降低与染色质可及性下降及其在细胞核内的空间组织改变相关。作者还证实，HDAC1能够不依赖于其去乙酰化酶活性，通过招募CTCF形成凝聚体，进而影响染色质环化和DNA修复复合物的组装。此外，作者发现瑞米诺他（resminostat）能有效破坏这些HDAC1-CTCF凝聚体，从而在患者来源异种移植（PDX）模型中增强TMZ的敏感性。这些发现揭示了一种先前未被认识的胶质母细胞瘤TMZ反应调控机制，并指明了潜在的治疗干预靶点。

本研究由中山大学中山医学院、中国科学院深圳先进技术研究院、南方科技大学、广东省人民医院及中南大学湘雅医院等单位联合完成。中山大学张钦凯博士、邱茹博士与南方医科大学鲁冰教授为论文共同第一作者；赵蔚教授与董鹏研究员为共同通讯作者；南方科技大学李依明教授和博士后方珂、石伟，以及深圳先进院助理研究员朱虹霓，原研究助理王金泓为本研究的3D-ATAC-STORM成像做出了重要贡献；中南大学湘雅医院刘庆教授、龙文勇医生及黄蒙医生为本研究提供了重要的GBM临床样本与临床数据支持。本研究得到了国家自然科学基金和深圳市医学专项研究基金的支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41589-025-02123-8