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亚洲城ca88生物院揭示iPS重編程因子解鎖異染色質之謎

發表日期:2019-10-02來源:放大 縮小

  101日,EMBO Journal在線發表了亚洲城登陆大厅廣州生物醫藥與健康研究院劉興國研究組和裴端卿研究組的題爲:“Heterochromatin loosening by the Oct4 linker region facilitates Klf4 binding and iPSC reprogramming”的最新研究成果。該研究發現重編程因子中Oct4主要起到松散解離異染色質的作用,而且,Oct4作爲解離異染色質的先導因子,調控Klf4對其下遊靶點的結合,進而調控“間充質-上皮轉換(MET)”這一重編程早期的關鍵事件。機制研究發現,Oct4是通過招募ATP依賴的染色質重塑蛋白如Brg1等來解離異染色質。這一工作揭示了單個重編程因子打開染色質從而有助于其它因子結合到目標基因的全新協同模式。 

  2006年,日本科學家Yamanaka成功利用轉錄因子Oct4Sox2Klf4將小鼠胚胎成纖維細胞誘導成了多能性幹細胞(iPSC)。染色質分爲常染色質和異染色質,前者處于伸展狀態,有轉錄活性,後者處于聚縮狀態,無轉錄活性,兩者的相互轉換是細胞命運轉變的關鍵。與體細胞相比,多能幹細胞的染色質呈相對松散開放的狀態,異染色質少。因此,體細胞重編程過程需要發生染色質的重塑才能成功誘導出iPSC來。許多研究團隊在不同側面的分子水平描述了重編程過程中染色質的變化。然而,哪個(些)重編程因子行使著解離體細胞的豐富異染色質的功能卻還未被闡明。 

  刘兴国研究員聚焦于亚细胞水平的细胞器重塑调控重编程的机制,他的团队利用成像学等方法系统地阐明了细胞器的组分重塑(Xingguo Liu*, Autophagy, 2017)、離子信號(Xingguo Liu*, Cell Metabolism, 2016, 2018)、能量代謝(Xingguo Liu*, Stem Cells, 2016) 等調控多能性的獲得。而對于細胞核這一最重要的細胞器,研究團隊在前期工作中開發了活細胞內實時精確定量常染色質和異染色質的松散性的成像方法,通過紅色熒光(HP1a-mCherry)用于區分常異染色質,綠色熒光(H1-GFP)的光漂白後熒光恢複(FRAP)用于定量外周組蛋白的活躍程度,從而分別定量分析常異染色質的松散性。研究人員將這一成像方法實時應用于體細胞重編程中,發現在體細胞重編程早期,只有異染色質顯著變松散,常染色質沒有明顯變化,並篩選鑒定出染色質松散因子Gadd45a作爲新型因子,能顯著提高重編程效率(Xingguo Liu* and Duanqing Pei*, EMBO Reports, 2016; Xingguo Liu*, Cell Death and Disease, 2017)。在此研究基礎上,劉興國組進行了持續的研究,將常異染色質的FRAP技術應用到回答“哪個(些)重編程因子解離體細胞異染色質”這一基本科學問題上。 

  Klf4的靶基因大多處于異染色質,這就像Klf4要到目的地去,卻被異染色質上鎖了,而Klf4能否到目的地調動靶基因,決定著體細胞能否從間充質狀態變身爲上皮狀態從而啓動重編程。Oct4能精確“解鎖”異染色質的鑰匙位于其連接區域的L80位點,使Klf4可以輕松地到達目的地結合靶基因,啓動“間充質-上皮轉換”。當該位點突變後,Oct4不能招募Brg1,失去解離異染色質的能力,進而不能成功誘導出iPSC。在該突變體介導的體細胞重編程早期,間充質-上皮轉換過程很弱;同時在後期,也不能激活多能性基因的表達。課題組早期鑒定的染色質解離因子如Gadd45a等能很好地補救Oct4-L80A突變體的功能,讓異染色質解離,並促進Klf4的結合和間充質-上皮轉換,最後激活多能性基因,成功誘導出iPSC 

  人們對“返老還童”的追求已有漫漫千年,而2006年的iPS重編程技術實現了細胞水平的“返老還童”。重編程中,Oct4的精密“空間密碼”發揮了重要的“解鎖”異染色質作用,而同家族的Oct1/Oct6 卻沒有相同的功能。Oct4,而非Oct1/Oct6,正如其字意,“十月四日”猶如人們尋找返老還童不老泉的出現的“時間密碼”, 然而“緣何十月初四日,只是當時仍茫然”。我們的發現不僅確定Oct4在重編程中“解鎖”異染色質的先導作用,而且闡明Oct4Klf4在染色質水平的互作調控細胞命運轉變。 

  本研究是與德國馬普分子生物醫學研究所的Hans R Scholer教授合作完成。本研究獲得國家重點研發項目、亚洲城登陆大厅、國家自然科學基金、廣東省和廣州市的經費支持。 

文章鏈接: 

https://www.embopress.org/doi/10.15252/embj.201899165 

1  重編程中Oct4“解鎖”異染色質

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