10月1日,EMBO Journal在線發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。該研究發現重編程因子中Oct4主要起到鬆散解離異染色質的作用,而且,Oct4作為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。機製研究發現,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於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Oct4、Sox2、Klf4將小鼠胚胎成纖維細胞誘導成了多能性幹細胞(iPSC)。染色質分為常染色質和異染色質,前者處於伸展狀態,有轉錄活性,後者處於聚縮狀態,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鬆散開放的狀態,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麵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。

劉興國研究員聚焦於亞細胞水平的細胞器重塑調控重編程的機製,他的團隊利用成像學等方法係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。而對於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鬆散性的成像方法,通過紅色熒光(HP1a-mCherry)用於區分常異染色質,綠色熒光(H1-GFP)的光漂白後熒光恢複(FRAP)用於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鬆散性。研究人員將這一成像方法實時應用於體細胞重編程中,發現在體細胞重編程早期,隻有異染色質顯著變鬆散,常染色質沒有明顯變化,並篩選鑒定出染色質鬆散因子Gadd45a作為新型因子,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的靶基因大多處於異染色質,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為上皮狀態從而啟動重編程。Oct4能精確“解鎖”異染色質的鑰匙位於其連接區域的L80位點,使Klf4可以輕鬆地到達目的地結合靶基因,啟動“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,隻是當時仍茫然”。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Oct4和Klf4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、中科院、國家自然科學基金、廣東省和廣州市的經費支持。

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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