10月1日,EMBO Journal在線(xiàn)發(fā)表了中科院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為:“Heterochromatin loosening by the Oct4 linker region facilitates Klf4 binding and iPSC reprogramming”的最新研究成果。該研究發(fā)現重編程因子中Oct4主要起到松散解離異染色質(zhì)的作用,而且,Oct4作為解離異染色質(zhì)的先導因子,調控Klf4對其下游靶點(diǎn)的結合,進(jìn)而調控“間充質(zhì)-上皮轉換(MET)”這一重編程早期的關(guān)鍵事件。機制研究發(fā)現,Oct4是通過(guò)招募ATP依賴(lài)的染色質(zhì)重塑蛋白如Brg1等來(lái)解離異染色質(zhì)。這一工作揭示了單個(gè)重編程因子打開(kāi)染色質(zhì)從而有助于其它因子結合到目標基因的全新協(xié)同模式。 

　　2006年,日本科學(xué)家Yamanaka成功利用轉錄因子Oct4、Sox2、Klf4將小鼠胚胎成纖維細胞誘導成了多能性干細胞(iPSC)。染色質(zhì)分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì),前者處于伸展狀態(tài),有轉錄活性,后者處于聚縮狀態(tài),無(wú)轉錄活性,兩者的相互轉換是細胞命運轉變的關(guān)鍵。與體細胞相比,多能干細胞的染色質(zhì)呈相對松散開(kāi)放的狀態(tài),異染色質(zhì)少。因此,體細胞重編程過(guò)程需要發(fā)生染色質(zhì)的重塑才能成功誘導出iPSC來(lái)。許多研究團隊在不同側面的分子水平描述了重編程過(guò)程中染色質(zhì)的變化。然而,哪個(gè)(些)重編程因子行使著(zhù)解離體細胞的豐富異染色質(zhì)的功能卻還未被闡明。 

　　劉興國研究員聚焦于亞細胞水平的細胞器重塑調控重編程的機制,他的團隊利用成像學(xué)等方法系統地闡明了細胞器的組分重塑(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(kāi)發(fā)了活細胞內實(shí)時(shí)精確定量常染色質(zhì)和異染色質(zhì)的松散性的成像方法,通過(guò)紅色熒光(HP1a-mCherry)用于區分常異染色質(zhì),綠色熒光(H1-GFP)的光漂白后熒光恢復(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(zhì)的松散性。研究人員將這一成像方法實(shí)時(shí)應用于體細胞重編程中,發(fā)現在體細胞重編程早期,只有異染色質(zhì)顯著(zhù)變松散,常染色質(zhì)沒(méi)有明顯變化,并篩選鑒定出染色質(zhì)松散因子Gadd45a作為新型因子,能顯著(zhù)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(jìn)行了持續的研究,將常異染色質(zhì)的FRAP技術(shù)應用到回答“哪個(gè)(些)重編程因子解離體細胞異染色質(zhì)”這一基本科學(xué)問(wèn)題上。 

　　Klf4的靶基因大多處于異染色質(zhì),這就像Klf4要到目的地去,卻被異染色質(zhì)上鎖了,而Klf4能否到目的地調動(dòng)靶基因,決定著(zhù)體細胞能否從間充質(zhì)狀態(tài)變身為上皮狀態(tài)從而啟動(dòng)重編程。Oct4能精確“解鎖”異染色質(zhì)的鑰匙位于其連接區域的L80位點(diǎn),使Klf4可以輕松地到達目的地結合靶基因,啟動(dòng)“間充質(zhì)-上皮轉換”。當該位點(diǎn)突變后,Oct4不能招募Brg1,失去解離異染色質(zhì)的能力,進(jìn)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(zhì)-上皮轉換過(guò)程很弱;同時(shí)在后期,也不能激活多能性基因的表達。課題組早期鑒定的染色質(zhì)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(zhì)解離,并促進(jìn)Klf4的結合和間充質(zhì)-上皮轉換,最后激活多能性基因,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(shù)實(shí)現了細胞水平的“返老還童”。重編程中,Oct4的精密“空間密碼”發(fā)揮了重要的“解鎖”異染色質(zhì)作用,而同家族的Oct1/Oct6 卻沒(méi)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(shí)間密碼”, 然而“緣何十月初四日,只是當時(shí)仍茫然”。我們的發(fā)現不僅確定Oct4在重編程中“解鎖”異染色質(zhì)的先導作用,而且闡明Oct4和Klf4在染色質(zhì)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(xué)研究所的Hans R Scholer教授合作完成。本研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)項目、中科院、國家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費支持。 

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

圖1  重編程中Oct4“解鎖”異染色質(zhì)