Adv Sci丨郑辉、裴端卿课题组揭示细胞周期通过影响表观遗传修饰调控细胞命运转变的新机制

外源 转录因子（ OCT4/SOX2/KLF4 ） 在体细胞重编程过程中 互相协作制衡，引导细胞命运的改变。 研究揭示， OCT4/SOX2 作为先锋转录因子 能够结合关闭状态的染色质，启动基因表达； KLF 4 能够协同 OCT4 和 SOX 2 激活多能性表达，促进重编程 MET 事件发生 。前期研究发现 KLF 4 能够导致非重编程细胞的产生，在重编程中具有双刃剑作用；通过增强 OCT 4 和 SOX 2 的作用能否压制 KLF4 带来的副作用尚未知晓。

多能性干细胞（如 ESCs 和 iPSCs ）具有 不同于体细胞的独特细胞周期特征， 显著的表现在胚胎干细胞缺少 G1/S 限制点（ checkpoint ），且 S 期 占整个细胞周期比例约为 60%-70% ，远高于体细胞 S 期所占比例。 在 体细胞重编程过程中，均伴随细胞周期调控方式以及细胞周期结构的改变，这种改变是否对 细胞命运的改变尚待揭示。此外，目前研究表明，染色质在复制之后，新合成染色质上的表观遗传修饰（如 DNA 甲基化、组蛋白修饰等）需要经历 S-G2/M 、在子代细胞 G1 逐渐恢复，这种表观遗传的滞后性对子代细胞命运的调控 机制仍然知之甚少。

近期，来自中国科学院广州生物医药与健康研究院郑辉团队在Advanced Science期刊发表了题为Enhanced Activities of OCT4 and SOX2 Promote Epigenetic Reprogramming by Shortening G1 Phase的文章，揭示了通过融合VP16结构域，增强转录因子OCT4和SOX2活性促进细胞重编程中的机制，并阐明了细胞周期结构变化，特别是G1期缩短，在促进重编程过程中的作用机制。

首先 ，研究人员 在重编程过程中使用 VP16 激活域融合到 OCT4 和 SOX2 转录因子 上 ，发现 OvSvK （ 过表达 VP16 融合的 OCT4 和 SOX2 以及 KLF 4 ）组合能够在重编程第 4 天获得具有嵌合能力的诱导多能干细胞（ iPSCs ）。进一步单细胞测序分析和实验结果表明， OvSvK 能够调节细胞周期结构，缩短 G1 比例、延长 S 期比例，比传统 OSK 重编程更快的建立 ESCs/iPSCs-like 细胞周期结构。紧接着， 在传统 O SK 重编程体系中， 通过 siRNA 文库对细胞周期基因的筛选，获得过表达 Ccne1 同时敲降 Ccnd1 和 Cdkn2a 的组合（ CCC ），该组合能够缩短 G1 期比例， 提高 OSK 重编程 效率 。

接下来，研究人员通过 CUT & Tag 、 ATAC-seq 等数据， 分析 OCT4 和 SOX2 激活的下游基因，发现 OS 的直接下游基因在 OvSvK 系统中具有更强的染色质开放水平以及 H3K4me3 修饰 ，表明融合 VP16 加强了 O CT4 和 SOX2 在目标基因的结合能力 ；而非 OS 直接下游、并且在 OvSvK 中高表达的基因则具有较低的 H3K27me3 修饰。该现象在 CCC 体系中也得到了印证，暗示细胞周期结构改变影响表观修饰在子代细胞的遗传。

紧接着， 研究结合 Fucci 以及图像识别细胞周期的方法， 分析了细胞周期不同阶段 H3K27me3 和 H3K4me3 的水平 ，发现 H3K27me3 水平 在细胞周期中 波动较大，而 非 OS 直接下游 的基因更容易观察到 H3K27me3 水平 的波动。 研究揭示 OvSvK G1 期缩短阻碍 H3K27me3 恢复，进而促进基因表达水平的提高。

综上 所述 ， 该研究阐明了 OvSvK 快速重编程机制，一方面融合 VP16 促进 OS 直接下游基因的表达；另一方面通过改变细胞周期结构、影响组蛋白 H3K27me3 恢复影响基因表达。该研究为理解细胞周期影响细胞命运转变提供了新视角，为深入理解重编程机制提供了理论支持。

广州健康院郑辉研究员和郭琳副研究员、西湖大学裴端卿教授为 该 论文的共同通讯作者，郭琳副研究员为第一作者。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202415528

制版人：十一

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