Nature Communications|新生转录本（RNA）捕获技术助力发现LEMD3在染色质三维结构中的新功能

北京大学基础医学院李文强老师等近期在《nature communications》（IF：15.7）上发表了《The inner nuclear membrane protein LEMD3 organizes the 3D chromatin architecture to maintain vascular smooth muscle cell identity》文章，启衡星特色产品（STAR-Click新生转录本捕获试剂盒（FS-L1004）有幸参与其中，为该研究贡献一份力量！

一、研究背景

血管平滑肌细胞（VSMCs）的收缩表型对维持血管稳态至关重要。在病理刺激下，VSMCs 会发生表型转换，失去收缩能力，转而获得增殖和迁移能力，从而促进动脉粥样硬化、内膜新生等血管疾病的发生。尽管已知转录因子和表观遗传修饰参与调控这一过程，但染色质三维结构在维持VSMC身份中的作用尚不明确。

本文通过全基因组CRISPR筛选，发现LEMD3可能是维持VSMC收缩表型的潜在调控因子，VSMC中LEMD3缺乏会导致收缩表型丧失，并加剧小鼠的血管损伤后内膜新生。此外，蛋白结合组分析表明，LEMD3会与CBX3相互作用，随后将异染色质锚定在细胞核外周。基于Hi-C数据的分子动力学模拟分析，LEMD3缺失会扰乱染色质结构。多组学分析进一步揭示，LEMD3 缺失导致A和B区室（常/异染色质）边界处的TAD（拓扑相关结构域）间相互作用增加，这与染色质可及性降低以及VSMC收缩基因表达受抑制相关。该研究揭示，内核膜蛋白LEMD3通过将异染色质锚定在核周来维持染色质三维结构，从而维持血管平滑肌细胞的收缩表型。

图1、LEMD3 在组织三维染色质结构中以维持血管平滑肌细胞（VSMCs）收缩表型中的作用示意图。

二、研究内容与主要发现

1. 全基因组CRISPR筛选发现LEMD3是维持血管平滑肌收缩表型的调控因子

• • • 研究者构建了带有 ACTA2-EGFP 报告基因的 MOVAS 细胞系，通过全基因组CRISPR筛选，发现敲低Lemd3会导致EGFP表达下降，提示其与VSMC收缩表型相关。
    • 在体外实验中，敲低 Lemd3 会导致收缩标志物（如 ACTA2、CNN1、TAGLN）表达下降，细胞形态由梭形变为多边形，收缩能力减弱，增殖能力增强。

2. LEMD3缺失加重小鼠血管损伤后内膜新生

• • • 构建平滑肌特异性 Lemd3 敲除小鼠（Lemd3 ^SMKO），发现其主动脉收缩能力下降，血管损伤后内膜新生加剧，进一步证实LEMD3在维持VSMC收缩表型和抑制血管病变中的作用。

3. LEMD3与CBX3相互作用，介导异染色质锚定于核周

• • • 通过蛋白质互作组学分析，发现LEMD3与CBX3（识别异染色质H3K9me2/3修饰的阅读器）结合。
    • LEMD3通过其RRM结构域与CBX3相互作用，将异染色质锚定在核外周；敲低 Lemd3 会导致异染色质从核周向核内重新分布。

4. LEMD3 调控三维染色质结构

• • • 通过 Hi-C 和三维染色质建模发现，Lemd3 缺失会导致：
      • A/B 区室边界处的TAD间相互作用增强
      • 染质可及性下降
      • 色收缩相关基因表达下调
    • 多组学整合分析（RNA-seq、ATAC-seq、ChIP-seq）进一步证实，这些变化与 VSMC 收缩功能的丧失密切相关。

三、研究意义

• 首次揭示核内膜蛋白通过三维基因组结构调控VSMC表型

本研究首次将核内膜蛋白LEMD3与染色质三维结构调控联系起来，拓展了对VSMC表型维持机制的理解。

• 提出“异染色质锚定—三维结构—基因表达—细胞功能”新通路

LEMD3–CBX3–异染色质锚定–TAD 间相互作用–染色质可及性–基因表达，这一通路为理解细胞身份维持提供了新视角。

• 为血管疾病提供潜在治疗靶点

LEMD3 调控的基因中包括多个与冠状动脉疾病相关的 GWAS 位点，提示其异常可能与人类血管疾病相关。

四、主要研究成果

• 通过系统性 CRISPR筛选+多组学分析，确立了LEMD3是维持VSMC收缩表型的关键因子。
• 揭示了LEMD3–CBX3互作在异染色质空间定位中的作用，连接了核膜蛋白与染色质结构。
• 首次在 VSMC 中阐明TAD间相互作用在基因表达调控中的功能，丰富了三维基因组学在血管生物学中的研究。
• 研究整合了分子生物学、遗传学、生物信息学和生物物理学方法，展现了多学科交叉的研究范式。

五、新生RNA捕获（nascent RNA capture）在这篇文章中起到了辅助功能性验证的作用：

1. 验证LEMD3缺失对收缩基因转录的直接抑制作用

• • • 发现LEMD3敲低后，Tagln和Acta2的新生RNA水平显著下降；
    • 表明这些基因的转录活性受LEMD3调控，而非由mRNA稳定性变化引起；
    • 强化了“染色质结构变化 → 转录抑制”这一因果链条。

2. 支持“染色质可及性下降导致转录抑制”的机制

• • • ATAC-seq显示LEMD3缺失后Tagln/Acta2启动子区域开放性下降；
    • 新生RNA捕获进一步证实这些基因转录活性确实被抑制；
    • 两者结合，构成染色质结构 → 可及性 → 转录输出的完整证据链。

3. 排除转录后调控干扰，聚焦“转录层面”机制

• • • 在VSMC表型转变中，部分基因表达变化可能由RNA稳定性或翻译效率变化引起；
    • 新生RNA捕获帮助作者聚焦于转录起始/延伸阶段，排除转录后调控干扰；
    • 使研究机制更具因果性和直接性。

图2、LEMD3敲低后，Tagln和Acta2的新生RNA水平显著下降。

六、总结

本研究不仅深化了对血管平滑肌细胞身份维持机制的理解，也为探索三维染色质结构在细胞分化和疾病中的作用提供了新思路。LEMD3 作为一个连接核膜与染色质结构的关键分子，未来可能成为干预血管重塑和相关疾病的潜在靶点。