Nature | 端粒酶的非经典功能——TERT增强干细胞的竞争能力

撰文 | 阿童木

端粒酶由端粒逆转录酶（TERT） 和端粒酶RNA组件（TERC） 组成，其中TERT是端粒酶的催化亚单位，具有逆转录酶的活性，能够将RNA模板逆转录成DNA，而TERC是一个小的非编码RNA支架，能够作为端粒酶的RNA模板，提供延长端粒所需的模板序列【1】。传统的端粒酶研究主要集中在TERT的催化功能，即通过延长端粒来维持细胞的增殖能力。

近些年来研究发现，端粒酶缺失会导致端粒变短和功能失调，最终导致衰老或细胞死亡；小鼠生殖细胞中若发生Tert或Terc失活，则代际繁殖中后代会出现渐进性端粒缩短，导致严重的组织缺陷【2,3】。与上述功能缺失研究相反，过表达研究揭示了 TERT不依赖于端粒酶活性的非经典功能，如TERT能够激活MYC、WNT和NF-κB通路，促进细胞增殖，调控细胞凋亡等【4,5】。

最近研究发现端粒酶在组织干细胞中富集，并且在许多癌症发生过程中会出现TERT启动子突变，TERT功能被激活【6】。许多具有自我更新能力的组织都存在着干细胞竞争 （stem cell competition） ，这种机制通过促进较弱的干细胞被更强壮的相邻干细胞取代来优化组织功能。另一方面，这种竞争行为也是癌变的特征，癌基因突变能够驱动癌细胞通过超级竞争 （super-competition） 过程而促进癌症发展。然而，有关TERT在干细胞稳态维持中的功能，尤其是TERT的失活是否会直接影响干细胞竞争，尚未明确。

近日，斯坦福大学Steven E. Artandi实验室领衔在Nature杂志发表了题为Clonal inactivation of TERT impairs stem cell competition的研究文章，通过构建TertCreER/flox小鼠模型，对小鼠睾丸内含有TERT的精原干细胞（SSCs）进行条件性敲除，发现TERT克隆失活显著削弱了干细胞的竞争能力。本研究揭示了端粒酶逆转录酶（TERT）在干细胞竞争中的非典型催化功能，为理解干细胞的竞争机制提供了新视角。

精子发生是一个动态过程，精原细胞干细胞 （SSCs） 通过分级的有丝分裂、减数分裂和减数后成熟，生成精子。在睾丸中，SSCs位于一个功能和形态上异质的群体中，称为未分化精原细胞 （US） ，US成熟后会产生分化的精原细胞 （DS）（图1）。

图1 精子发生过程

作者首先评估了精原细胞不同亚群中Tert基因的表达情况，发现Tert在整个US细胞群中均发生了表达富集。接下来作者构建了TertCreER/+;Rosa26lsl-Tdtomato/+ （TertCreER/+） 转基因小鼠，并进行了谱系追踪，定量评估了干细胞的自我更新能力。作者发现表达TERT的SSCs所生成的克隆寿命更长，并在干细胞池内的竞争行为更强。为了探究TERT在SSCs中的直接作用，作者利用 TertCreER/flox小鼠开发了评估竞争性克隆形成的体内模型，发现在SSCs部分细胞中敲除TERT能够通过细胞竞争而抑制克隆形成能力。

那TERT在增强SSCs竞争中的作用是否依赖于其在延长端粒中的经典催化作用呢？通过使用条件性敲除和线粒体标记技术，作者发现TERT不仅通过非经典的端粒酶活性增强了SSCs的竞争能力，而且其逆转录酶活性并非必需。这些发现突显了TERT在维持SSC自我更新和组织恢复中的独特功能，与传统的端粒酶复合物和DNA损伤应答机制无关。

此外，通过条件性敲除SSCs中的TERT，导致其克隆形成能力受损，主要通过促进未分化的US向已分化的DS的转变，而并非促进了细胞凋亡。值得注意的是，无论表达的是野生型TERT还是不具有催化活性的TERT （TERTci） ，均能恢复这些表型，突显了TERT在维持SSC自我更新和干细胞竞争中的关键作用，且并不依赖于在其经典端粒酶活性。

为了理解TERT缺失是如何在整体上影响染色质结构的，作者进行了染色质可及性测序 （ATAC-seq） ，以在全基因组范围内评估染色质可及性的变化。结果表明，US细胞群体展示出显著增加的染色质可及性模式，且在分化过程中存在全局染色质可及性的降低。在TERT敲除的精子干细胞中，US-h和US-m群体显示出明显的染色质开放性降低，表明TERT的丧失导致干细胞群体中染色质状态的全局性变化，特别是影响到与干细胞特性相关的基因。与此同时，已分化的DS细胞对TERT敲除不敏感，这表明TERT的作用主要集中在维持干细胞自我更新和抑制分化过程中。因此，TERT在精子发生中通过影响染色质可及性的变化而维持了精子干细胞的竞争能力。

TERT敲除导致SSC的竞争能力下降，主要是通过促进细胞分化和减少细胞增殖来实现的。通过RNA-seq和基因组学分析，作者发现TERT敲除的SSC出现了基因表达模式的变化，其中包括MYC介导的分子通路的失调，这与竞争性克隆形成的缺陷相关。不仅如此，过表达MYC可以部分挽救TERT缺陷型SSC的竞争性克隆形成障碍，可见TERT通过调控MYC而促进了SSC的竞争性克隆形成。

综上所述，本研究通过构建TertCreER/flox小鼠模型，对小鼠睾丸内精原干细胞（SSCs）内的TERT进行了条件性敲除，发现TERT表达的SSCs能够产生寿命更长的克隆，而TERT失活则导致干细胞分化的激活和基因组范围内染色质开放程度的降低，TERT的这一功能独立于其逆转录酶活性及传统端粒酶复合物的作用。本研究揭示了TERT为干细胞提供了选择性优势，维持了男性生殖系统和精子发生的稳态。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07700-w#ref-CR1

制版人：十一

参考文献

1. Roake, C. M. & Artandi, S. E. Regulation of human telomerase in homeostasis and disease. Nat. Rev. Mol.Cell Biol.21, 384–397 (2020).

2. Wong, K. K. et al. Telomere dysfunction impairs DNA repair and enhances sensitivity to ionizing radiation.Nat. Genet.26, 85–88 (2000).

3. Lee, H. W. et al. Essential role of mouse telomerase in highly proliferative organs.Nature392, 569–574 (1998).

4. Park, J.-I. et al. Telomerase modulates Wnt signalling by association with target gene chromatin.Nature460, 66–72 (2009).

5. Koh, C. M. et al. Telomerase regulates MYC-driven oncogenesis independent of its reverse transcriptase activity.J. Clin. Invest.125, 2109–2122 (2015).

6. Horn, S. et al. TERT promoter mutations in familial and sporadic melanoma.Science339, 959–961 (2013).

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