10月1日,EMBO Journal在線發(fā)表了中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉興國(guó)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(xiàn)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(dǎo)因子,調(diào)控Klf4對(duì)其下游靶點(diǎn)的結(jié)合,進(jìn)而調(diào)控“間充質(zhì)-上皮轉(zhuǎn)換(MET)”這一重編程早期的關(guān)鍵事件。機(jī)制研究發(fā)現(xiàn),Oct4是通過招募ATP依賴的染色質(zhì)重塑蛋白如Brg1等來解離異染色質(zhì)。這一工作揭示了單個(gè)重編程因子打開染色質(zhì)從而有助于其它因子結(jié)合到目標(biāo)基因的全新協(xié)同模式。 

　　2006年,日本科學(xué)家Yamanaka成功利用轉(zhuǎn)錄因子Oct4、Sox2、Klf4將小鼠胚胎成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)成了多能性干細(xì)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?fàn)顟B(tài),有轉(zhuǎn)錄活性,后者處于聚縮狀態(tài),無轉(zhuǎn)錄活性,兩者的相互轉(zhuǎn)換是細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。與體細(xì)胞相比,多能干細(xì)胞的染色質(zhì)呈相對(duì)松散開放的狀態(tài),異染色質(zhì)少。因此,體細(xì)胞重編程過程需要發(fā)生染色質(zhì)的重塑才能成功誘導(dǎo)出iPSC來。許多研究團(tuán)隊(duì)在不同側(cè)面的分子水平描述了重編程過程中染色質(zhì)的變化。然而,哪個(gè)(些)重編程因子行使著解離體細(xì)胞的豐富異染色質(zhì)的功能卻還未被闡明。 

　　劉興國(guó)研究員聚焦于亞細(xì)胞水平的細(xì)胞器重塑調(diào)控重編程的機(jī)制,他的團(tuán)隊(duì)利用成像學(xué)等方法系統(tǒng)地闡明了細(xì)胞器的組分重塑(Xingguo Liu*, Autophagy, 2017)、離子信號(hào)(Xingguo Liu*, Cell Metabolism, 2016, 2018)、能量代謝(Xingguo Liu*, Stem Cells, 2016) 等調(diào)控多能性的獲得。而對(duì)于細(xì)胞核這一最重要的細(xì)胞器,研究團(tuán)隊(duì)在前期工作中開發(fā)了活細(xì)胞內(nèi)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,通過紅色熒光(HP1a-mCherry)用于區(qū)分常異染色質(zhì),綠色熒光(H1-GFP)的光漂白后熒光恢復(fù)(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(yīng)用于體細(xì)胞重編程中,發(fā)現(xiàn)在體細(xì)胞重編程早期,只有異染色質(zhì)顯著變松散,常染色質(zhì)沒有明顯變化,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(chǔ)上,劉興國(guó)組進(jìn)行了持續(xù)的研究,將常異染色質(zhì)的FRAP技術(shù)應(yīng)用到回答“哪個(gè)(些)重編程因子解離體細(xì)胞異染色質(zhì)”這一基本科學(xué)問題上。 

　　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(diào)動(dòng)靶基因,決定著體細(xì)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(qū)域的L80位點(diǎn),使Klf4可以輕松地到達(dá)目的地結(jié)合靶基因,啟動(dòng)“間充質(zhì)-上皮轉(zhuǎn)換”。當(dāng)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(dǎo)出iPSC。在該突變體介導(dǎo)的體細(xì)胞重編程早期,間充質(zhì)-上皮轉(zhuǎn)換過程很弱;同時(shí)在后期,也不能激活多能性基因的表達(dá)。課題組早期鑒定的染色質(zhì)解離因子如Gadd45a等能很好地補(bǔ)救Oct4-L80A突變體的功能,讓異染色質(zhì)解離,并促進(jìn)Klf4的結(jié)合和間充質(zhì)-上皮轉(zhuǎn)換,最后激活多能性基因,成功誘導(dǎo)出iPSC。 

　　人們對(duì)“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(xiàn)了細(xì)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(xiàn)的“時(shí)間密碼”, 然而“緣何十月初四日,只是當(dāng)時(shí)仍茫然”。我們的發(fā)現(xiàn)不僅確定Oct4在重編程中“解鎖”異染色質(zhì)的先導(dǎo)作用,而且闡明Oct4和Klf4在染色質(zhì)水平的互作調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變。 

　　本研究是與德國(guó)馬普分子生物醫(yī)學(xué)研究所的Hans R Scholer教授合作完成。本研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費(fèi)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)