病毒都是在细胞内完成复制的，并且病毒可以利用对宿主染色质结构的调节来影响宿主的基因表达和调控。在侵入宿主细胞后，病毒遗传物质对于宿主基因组三维结构的渗透有着不同的策略，例如有些病毒可能通过直接整合进宿主基因组改变三维基因组结构，以基因形式随着细胞增殖，有些病毒则可能在侵染时产生特定病毒因子（例如转录因子），影响染色质结构并参与宿主基因转录的表观调控，使得细胞功能改变。
近期，艾滋病毒HIV、新冠病毒SARS-CoV-2和疱疹病毒EBV侵染宿主细胞三维基因组结构的最新研究成果相继发表在国际知名期刊Molecular Cell、Nature Microbiology和Nature Communications，为它们在宿主的基因表达和调控影响提供了3D视角的见解。这不仅为揭开病毒致病的分子机制提供良好基础，更为病毒研究提供了前沿实用的研究方案。
01 艾滋病毒HIV侵染脑炎相关的小胶质细胞
文章题目：
HIV integration in the human brain is linked to microglial activation and 3D genome remodeling
研究单位：
西奈山伊坎医学院
发表期刊：
Molecular Cell（IF：19.328）
发表时间：
2022年12月
研究材料：
无HIV感染者（HIV-）、HIV感染者（HIV+）、HIV感染且伴随脑炎的患者大脑，小胶质细胞和神经元
测序方案：
snRNA-seq（10X）、RNA-seq、Hi-C、IS-seq、ChIP-seq
在HIV疾病中，已有研究观察到存在中枢神经系统炎症的生物标志物以及神经系统症状。该研究利用snRNA-seq，Hi-C、IS-seq（病毒整合位点测序）和ChIP-seq（H3K27ac、H3K27me3和H3K9me3）技术，对无HIV感染者（HIV-）、HIV感染者（HIV+）、HIV感染且伴随脑炎的患者（HIVE）的额叶皮层进行多层次的分析，分别获得单个细胞的基因表达、细胞特异性的3D基因组结构、HIV在基因组中的整合位置，以及表观遗传修饰的位置。
图1 研究思路
首先，snRNA-seq数据分析显示，HIVE的HIV RNA主要位于小胶质细胞，在非神经细胞中则相对较少。而后，结合Hi-C，研究发现HIVE的小胶质细胞在3D基因组结构上发生了解抑制性的变化，导致干扰素（IFN）信号和细胞迁移通路的转录激活，而神经元健康和信号通路的基因则在HIVE和HIV+的小胶质细胞中都发生了转录下调和抑制性的compartment变化。随后，基于IS-seq，研究找到了1221个整合位点，发现HIV在小胶质细胞中的整合位点呈现出与外周淋巴细胞不同的基因组序列特征，并且确认感染HIV后的病毒遗传物质整合位点主要富集于宽松的染色质环境（包括较高的基因表达水平、位于Compartment活跃区和活跃的组蛋白修饰信号）。最后，使用snRNA-seq数据确认了HIV病毒转录是发生在一小部分高度激活的小胶质细胞中，占HIVE脑中所有核的0.33%。
综上，该研究认为HIV病毒通过整合进宿主基因组改变小胶质细胞的3D基因组结构和表观信号特征，引起细胞特异性的基因表达变化，产生干扰素反应，可能与HIV相关的神经认知障碍有关。
图2 小胶质细胞中特异性整合位点区域的基因表达水平和表观信号特征，Chr19是整合位点最密集的染色体
02 新冠病毒SARS-CoV-2侵染人类肺腺癌
细胞系（A549）
文章题目：
SARS-CoV-2 restructures host chromatin architecture
研究单位：
德克萨斯大学
发表期刊：
Nature Microbiology（IF：30.964）
发表时间：
2023年3月
研究材料：
人类肺腺癌细胞系（A549）
测序方案：
Hi-C 3.0、ChIP-seq、RNA-seq
新冠病毒SARS-CoV-2编码的几种病毒蛋白已被证明与染色质或染色质因子有关。该研究利用Hi-C 3.0、ChIP-seq（H3K27ac、H3K4me3、H3K9me3和H3K27me3，Pol2）和RNA-seq等技术，研究人类细胞感染SARS-CoV-2后的三维基因组和表观基因组。研究发现，宿主细胞（A549-ACE2）的A comartment（活跃区域）减弱、A和B compartment（活跃区和非活跃区）出现混合(A-B mixing)、TAD内互作减少且H3K27ac（增强子标记）水平降低。而在普通冷病毒HCoV-OC43感染后，宿主细胞没有发现这种变化。比较多组学数据联合验证实验，确认粘连蛋白（cohesin）复合物从TAD内区域明显丢失，表明SARS-CoV-2破坏了粘连蛋白介导的loop环挤出。并且“散开”的loop结构和减弱的增强子信号与干扰素反应基因(DDX58)的转录抑制有关。而且，在重度COVID-19期，受到高度诱导的促炎症基因的启动子中H3K4me3（启动子标记）信号显著增加。此外，近期有其它研究发现ORF8（编码病毒辅助蛋白β冠状病毒NS8蛋白）破坏了宿主的表观基因组。
综上，SARS-CoV-2感染可能重塑宿主的染色质，改变干扰素反应基因和促炎症基因的调控环境，从而影响了基因的表达，使得可能出现免疫症状。而这可能与某个病毒因子关联。
图3 新冠病毒SARS-CoV-2侵染人类细胞系后宿主细胞三维基因组变化影响基因表达模型
03 疱疹病毒EBV促进B淋巴细胞转化为淋巴
母细胞系
文章题目：
A DNA tumor virus globally reprograms host 3D genome architecture to achieve immortal growth
研究单位：
布莱根妇女医院和哈佛医学院
发表期刊：
Nature Communications(IF：17.694)
发表时间：
2023年3月
研究材料：
B淋巴细胞和淋巴母细胞系
测序方案：
Hi-C、ChIP-seq、CUT&run、HiChIP、4C-seq
DNA肿瘤病毒Epstein-Barr 病毒（EBV）将静止B淋巴细胞（RBLs）永生化为淋巴母细胞系（LCLs）。该研究利用Hi-C比较RBL和LCL染色质相互作用图，试图从空间和时间两方面揭示EBV及其病毒转录因子在感染和增殖期间对宿主基因组结构的影响。发现EBV诱导了三维基因组重组。RBLs中被抑制的B compartment经常转换为LCLs中活跃的A compartment。LCLs获得40%新的互作结构域边界。并且CTCF在互作结构域边界的结合信号很强，但在RBLs中，同样的部位CTCF结合要少得多。此外，一些LCL CTCF位点也有EB病毒核抗原（EBNA）蛋白EBNALP结合。在LCL依赖性因子和超级增强子目标处，LCLs比RBLs有更多的局部相互作用。RNA Pol II HiChIP和RBL和LCL的FISH进一步验证了Hi-C的结果。EBNA3A失活使得LCLs中形成的loop数（其中增强子-启动子loop减少）减少，CTCF和RAD21在DNA的结合信号降低，并且分别重建了CDKN2A/B位点（EBNA3C抑制该基因时，LCL可以摆脱衰老）和AICDA（EBNA3C上调该基因，有助于增加LCL中的全局突变）位点的loop环状结构。破坏AICDA位点的CTCF位点使AICDA的表达增加。
综上，EBV病毒通过病毒转录因子重构全局范围内宿主基因组结构，以促进关键致癌基因的表达来控制淋巴细胞生长。
图4 EBNA3A失活导致形成的loop明显减少，增强子-启动子loop减少以及 CTCF loop和其他未注释loop增加
小 结
从上面的案例可以看出，在有些病毒可能通过直接整合进宿主基因组改变三维基因组结构来促进自身的复制并控制宿主细胞基因表达，有些病毒则可能在侵染时产生特定病毒因子，从而参与宿主基因转录的表观调控。因此，通过三维基因组技术结合表观遗传技术（如组蛋白信号、染色质状态）了解病毒对宿主染色质和表观基因组的影响，不仅可以提供对抗病毒的新策略，还可以为揭开病毒致病的分子基础铺平道路，促进后续设计干预方案。
参考文献：
1.Plaza-Jennings A L, Valada A, O’Shea C, et al. HIV integration in the human brain is linked to microglial activation and 3D genome remodeling[J]. Molecular Cell, 2022, 82(24): 4647-4663. e8.
2.Wang R, Lee J H, Kim J, et al. SARS-CoV-2 restructures host chromatin architecture[J]. Nature Microbiology, 2023: 1-16.
3.Wang C, Liu X, Liang J, et al. A DNA tumor virus globally reprograms host 3D genome architecture to achieve immortal growth[J].Nature Communications, 2023, 14(1): 1598.
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