近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院鄭輝團(tuán)隊在Advanced Science期刊發(fā)表了題為“Enhanced Activities of OCT4 and SOX2 Promote Epigenetic Reprogramming by Shortening G1 Phase”的研究論文。該研究揭示了通過調(diào)控細(xì)胞周期影響表觀遺傳修飾、進(jìn)而促進(jìn)體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）的新機(jī)制，為深入理解細(xì)胞命運轉(zhuǎn)變提供了新思路。
研究首先通過將轉(zhuǎn)錄激活域VP16（源自皰疹病毒）融合到兩個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子OCT4和SOX2上，構(gòu)建出增強(qiáng)型因子組合OvSvK（OCT4-VP16/SOX2-VP16/KLF4）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于經(jīng)典轉(zhuǎn)錄因子組合OSK（OCT4/SOX2/KLF4），OvSvK新組合在重編程第4天就能誘導(dǎo)出具有生殖系嵌合能力的iPSCs，重編程速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法。緊接著單細(xì)胞測序和實驗表明，OvSvK能夠顯著調(diào)控細(xì)胞周期結(jié)構(gòu)改變——縮短DNA合成前期(G1期)、延長DNA合成期(S期)，從而快速建立與胚胎干細(xì)胞類似的周期模式。通過siRNA文庫對細(xì)胞周期基因的篩選，團(tuán)隊獲得在OSK體系過表達(dá)細(xì)胞周期蛋白E1 基因（Ccne1）同時敲降G1/S-特異性周期蛋白-D1（Ccnd1）和多重腫瘤抑制基因（Cdkn2a）的因子組合（CCC）。該組合同樣可影響細(xì)胞周期結(jié)構(gòu)、加速重編程，進(jìn)一步確認(rèn)了細(xì)胞周期調(diào)控在重編程過程中扮演重要角色。
隨后，研究比較分析OSK和OvSvK體系中基因表達(dá)、染色質(zhì)開放水平、以及組蛋白甲基化、乙酰化等表觀遺傳修飾的異同。發(fā)現(xiàn)在OvSvK中高表達(dá)、但并不是被OS（OCT4/SOX2）直接調(diào)控的下游基因具有較低的H3K27me3（組蛋白H3第27位賴氨酸三甲基化）修飾水平。有趣的是，這些基因的表達(dá)和表觀修飾水平在CCC體系中具有相似現(xiàn)象，暗示細(xì)胞周期結(jié)構(gòu)改變影響表觀修飾在子代細(xì)胞的遺傳。已有研究表明，染色質(zhì)在復(fù)制之后，新合成染色質(zhì)上的表觀遺傳修飾（如DNA甲基化、組蛋白修飾等）需要經(jīng)歷S期?和?G2期?到?M期?的轉(zhuǎn)變（S-G2/M）后、在子代細(xì)胞G1中逐漸恢復(fù)。但是這種表觀遺傳修飾的延遲恢復(fù)對細(xì)胞命運的調(diào)控尚未有報道。緊接著，本研究結(jié)合熒光泛素化細(xì)胞周期指示系統(tǒng)（Fucci）以及圖像識別等方法，分析重編程中處于不同細(xì)胞周期細(xì)胞的表觀遺傳修飾水平，揭示OvSvK的G1期縮短阻礙H3K27me3恢復(fù)，進(jìn)而促進(jìn)基因表達(dá)水平的提高。
綜上所述，該研究闡明了OvSvK快速重編程機(jī)制，一方面融合VP16促進(jìn)OS直接下游基因的表達(dá)；另一方面通過改變細(xì)胞周期結(jié)構(gòu)、影響組蛋白H3K27me3對非OS直接下游基因表達(dá)的調(diào)控。該研究為理解細(xì)胞周期影響表觀遺傳修飾，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞命運轉(zhuǎn)變提供了新視角，也為深入理解重編程機(jī)制提供了理論支持。
廣州健康院鄭輝研究員和郭琳副研究員、西湖大學(xué)裴端卿教授為該論文的共同通訊作者，郭琳副研究員為第一作者。研究項目得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市科技項目以及InnoHK等項目的經(jīng)費支持。
OvSvK促進(jìn)重編程機(jī)制示意圖
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