Nature重要論文：細(xì)胞重編程與表觀遺傳學(xué)

日期：2012-08-31 08:15:51

迫使細(xì)胞接受新命運，例如將皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榧∪狻⒛X或心臟是現(xiàn)代生物學(xué)最令人印象深刻的成就之一。在這些成就中最突出的就是將皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)檎T導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)。相比于皮膚細(xì)胞（成纖維細(xì)胞）和其他分化細(xì)胞除了自身無法生成其他細(xì)胞類型，iPSCs具有非凡的能力生成機體內(nèi)所有的細(xì)胞類型。來自哥倫比亞大學(xué)的Doege在發(fā)布于《自然》（Nature）雜志上的一篇文章中首次對細(xì)胞命運如此戲劇性改變的最早階段是如何完成的提供了一個機制解釋。

細(xì)胞的身份曾被認(rèn)為是永久不變的：當(dāng)細(xì)胞轉(zhuǎn)變到分化狀態(tài)，它就不能恢復(fù)至干細(xì)胞狀態(tài)。在分化細(xì)胞中，通常在其他細(xì)胞類型中表達(dá)的基因會受到抑制，由此將細(xì)胞置于它們現(xiàn)時的命運，防止它們偏離到其他的譜系中。同樣，干細(xì)胞多能性基因往往在分化細(xì)胞中是失活的。然后，認(rèn)為地導(dǎo)入一些轉(zhuǎn)錄因子（例如Oct4、Sox2和Klf4)則可以扭轉(zhuǎn)這種譜系限制，誘導(dǎo)許多的分化細(xì)胞類型轉(zhuǎn)變?yōu)?/SPAN>iPSCs。

基因表達(dá)受到兩類蛋白的共同控制：轉(zhuǎn)錄因子和表觀遺傳調(diào)控子。轉(zhuǎn)錄因子是通過直接結(jié)合到DNA上來發(fā)揮作用，而表觀遺傳調(diào)控因子卻以各種方式來影響基因的表達(dá)，例如通過改變組蛋白。Doege等發(fā)現(xiàn)了兩種表觀遺傳調(diào)控因子Parp1和Tet2刺激了成纖維細(xì)胞中靜止多能基因的表達(dá)，由此啟動了這些細(xì)胞重編程為iPSCs。作者們顯示在細(xì)胞重編程過程中，Parp1和Tet2誘導(dǎo)從與多能基因相關(guān)的蛋白質(zhì)上移除了H3K27me3抑制標(biāo)記物，并添加了具有激活效應(yīng)的另一種標(biāo)記物H3K4me2。尤其值得注意的是，他們發(fā)現(xiàn)在發(fā)生上述改變的數(shù)天后，多能基因Nanog和Esrrb轉(zhuǎn)為活化。

Doege和同事們證明這些表觀遺傳改變預(yù)示著未來Nanog和Esrrb的表達(dá)增加，并將Oct4的結(jié)合增加與這些基因關(guān)聯(lián)起來，具推測Oct4進(jìn)一步地刺激了它們的表達(dá)。引人注目的是，內(nèi)源性Parp1和Tet2都是重編程的必要條件，如果任何一個被消除，iPSC形成就會完全失敗。這一發(fā)現(xiàn)表明重編程轉(zhuǎn)錄因子直至與內(nèi)源性表觀遺傳調(diào)控因子協(xié)同作用，才能有效地結(jié)合和重新喚醒它們的靶基因。表觀遺傳調(diào)控子在基因表達(dá)增高的數(shù)天前就預(yù)先裝配了將要激活的抑制基因。

轉(zhuǎn)錄因子例如Oct4和Sox2長期占據(jù)了主要重編程因子的殿堂，然而現(xiàn)在Doege等證實表觀遺傳因子是同樣重要的。然而，這些調(diào)控因子并沒有與轉(zhuǎn)錄因子一起導(dǎo)入到細(xì)胞中誘導(dǎo)重編程。因此這些專性表觀遺傳因子處在重編程合唱團(tuán)的什么位置呢？當(dāng)前的報告提供了一個優(yōu)雅的解釋：重編程轉(zhuǎn)錄因子與內(nèi)源性表觀遺傳調(diào)控子相互聯(lián)系執(zhí)行了重編程。這些調(diào)控因子有可能已經(jīng)存在于起始細(xì)胞中，或通過添加轉(zhuǎn)錄因子可以刺激它們的表達(dá)。事實上，Doege等證實在成纖維細(xì)胞中Oct4誘導(dǎo)了Parp1表達(dá)。然而，一些細(xì)胞譜系開關(guān)明確需要共同導(dǎo)入特異的表觀遺傳調(diào)控因子。因此，將細(xì)胞重編程為當(dāng)前無法獲得的譜系的努力將有可能從添加相關(guān)表觀遺傳修飾子中獲益。

作者們的研究結(jié)果提出了進(jìn)一步的問題。盡管Parp1和Tet2重激活了多能基因如Nanog和Esrrb，是什么抑制了成纖維特異性基因的表達(dá)？此外，喚醒的多能蛋白是否按一些等級秩序激活了更多靜止的同類？

另一個有待解決的問題是表觀遺傳調(diào)控因子是如何“知道”哪些基因是需要被重新激活的。它們是否廣泛地除去了對整個基因組基因表達(dá)的抑制，還是通過重編程轉(zhuǎn)錄因子引導(dǎo)到特異的基因？現(xiàn)在已知在干細(xì)胞中Oct4結(jié)合了Parp1，這表明它有可能靶向Parp1來重新激活了特異的多能基因。那么某些表觀遺傳調(diào)控因子（例如Parp1）是轉(zhuǎn)換所有細(xì)胞類型為其他類型所普遍必需的嗎？一些基本的表觀遺傳機器，例如TrxG H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白復(fù)合物有可能是激活所有重編程事件選擇性譜系基因表達(dá)所廣泛必需的。相比較，細(xì)胞特異性表觀遺傳調(diào)控因子有可能引導(dǎo)轉(zhuǎn)化進(jìn)入到選擇性的譜系，例如調(diào)控因子Baf60c特異性誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為了心臟細(xì)胞。

Doege和同事們論文的主要意義在于它以前所未有的細(xì)節(jié)開始闡明在這一過程令人驚訝的早期階段，從一種細(xì)胞類型轉(zhuǎn)變另一種細(xì)胞類型的機制。這取代了從前對于重編程過程的現(xiàn)象描述，提供了潛在機制的新認(rèn)識。如果我們能夠闡明成為這些細(xì)胞身份改變基礎(chǔ)的基本機制，細(xì)胞重編程的未知領(lǐng)域或可最終得到繪制，從而擴展生成不同細(xì)胞類型用于細(xì)胞療法的途徑。