人胚胎干细胞自我更新特性维持的表观–代谢调控新机制

朱哲鑫 金 颖*
(中国科学院干细胞生物学重点实验室, 中国科学院分子细胞科学卓越中心,
中国科学院上海生命科学研究院/上海交通大学医学院健康科学研究所, 上海 200031 )
 
 

金颖, 中国科学院上海生命科学研究院/上海交通大学健康科学研究所研究员。 1983年于中国医科大学获得医学学士学位; 1988年于北京协和医科大学/中国医 学科学院基础医学研究所获得理学博士学位; 博士毕业后分别在美国北德克萨 斯州医学中心和美国德克萨斯大学西南医学中心进行博士后训练; 1999年底, 金 颖博士放弃了国外优越的生活与科研条件, 毅然回到国内出任上海交通大学医学 院基础医学院研究员; 2001年起担任健康科学研究所干细胞研究课题组组长并于 2004年获得中国科学院“百人计划”资格; 2006年起担任中国科学院干细胞生物学 重点实验室主任。在此期间, 金颖研究员分别于2011年担任国家科技部重大科学 研究计划首席科学家、2016年担任国家科技部重大专项项目负责人。此外, 金颖 研究员还出任国际干细胞学会会员、中国细胞生物学会干细胞分会常务委员、 上海细胞生物学学会理事。金颖研究员领导的研究团队主要从事多能干细胞自 我更新及发育多能性的分子机制和多能干细胞向神经谱系分化的分子调控的研 究。该团队建立了多株人ESC系和正常人及疾病患者体细胞来源的诱导性多能 干细胞系。利用这些细胞系, 他们回答了干细胞命运决定分子调控机制中的若干 重要科学问题; 建立了人早期器官形成期的全基因组表达谱式, 阐明胚胎形态与 基因表达谱之间的变化规律; 建立了人胚胎干细胞定向神经分化的技术体系。他 们的主要研究成果集中在揭示多能干细胞关键转录因子如何建立自我更新的调 控环路和如何抑制诱导多能干细胞分化的信号通路上, 为体外大量扩增和定向诱 导多能干细胞的分化奠定了分子基础。最近, 他们通过大规模siRNA筛选, 鉴定 出了一批对人胚胎干细胞特性的维持具有重要作用的因子。金颖研究员在Cell Stem Cell(2011和2016)、JCI(2013)、Development Cell(2010)、PNAS(2010)、EMBO R(2014)、Cell Research(2016)等国际著名学术期刊发表了一系列原创性成果。

 
 
1 相关研究背景及进展介绍
人胚胎干细胞(human embryonic stem cells, hESCs)分离自人胚胎内细胞团, 具有无限的自我更 新和多向分化的潜能。因此, hESCs是研究人类早 期胚胎发育的优良工具, 也是未来临床器官修复治 疗的重要细胞来源[1-2]。为了更好地认识hESCs的潜 能, 我们有必要对hESCs特性的建立和维持进行全面 的研究。维持细胞命运所需要的表观遗传调控体现 在不同的染色质层次上—组蛋白修饰[3]、DNA甲 基化修饰、ATP依赖的染色质重塑子以及组蛋白 变体。比如H3.3极其特异性的分子伴侣, 相对于 DNA复制依赖型的经典组蛋白H3.1和H3.2, 非经 典的组蛋白变体H3.3A和H3.3B在整个细胞周期中 泛表达, 起初它们在染色质上的富集被认为是一种 活化的染色质修饰[4], 但随后的研究表明, 这些变 体也存在于基因组的转录沉默位点[5]。在小鼠胚 胎干细胞(mouse embryonic stem cells, mESCs)中, 通过对全基因组的H3.3进行ChIP-seq(chromatin immunoprecipitation-sequencing)分析发现, HIRA(组 蛋白分子伴侣, 能将H3.3以细胞周期非依赖性的方 式掺入到染色质中)依赖的H3.3不仅置入到活跃表 达基因的启动子区域, 而且也存在于发育相关基 因的启动子区域[6]。考虑到hESCs和mESCs存在着 巨大的不同, 因此, 我们十分有必要对HIRA依赖的 H3.3置入在hESCs自我更新中的作用进行研究。

除了表观遗传修饰之外, 细胞代谢状态对干 细胞的命运决定也发挥着重要的作用[7-8]。比如, α-酮戊二酸(α-ketoglutarate, α-KG), 双加氧酶的重 要辅因子, 三羧酸循环的中间产物, 也是Jumonji family组蛋白去甲基化酶和ten-eleven translocation family DNA羟化酶等双加氧酶的辅因子[9-10]。最 近的研究还显示, α-KG能够维持mESCs的多能性[11]; 但在hESCs分化过程中, 往分化诱导培养液中添加 α-KG能够促进细胞的分化[12]。但是, α-KG在hESCs 自我更新中的作用还没有被报道; 此外, 对产生 α-KG的异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)是如何受到表观调控的也没被很好地阐释 过。因此, 我们很有必要对维持hESCs自我更新机 制, 表观–代谢环路进行深入研究。

2 在全基因组范围内利用siRNA对维持 hESCs特性具有重要作用的转录因子进 行筛选
为了系统地鉴定维持hESCs自我更新的重要 因子, 我们首先建立了1株无动物源成分的SHhES8 hESCs细胞系, 并构建了OCT4启动子驱动的EGFP报 告系[13]。借助此报告系, 我们利用Human siGENOME siRNA Library-Transcription Factors-SMARTpool 进 行了高通量结合裸眼观测细胞形态的双重筛选手 段, 一共得到了25个候选基因, 其中包括OCT4[14]、 RUVBL2[15]、SFRS2[16]等已知对ESCs自我更新具有重要作用的因子。这些实验充分说明了我们的筛选系 统具有有效性和可靠性。

3 PHB在维持hESCs表观–代谢环路中的 重要作用
我们课题组对上述筛选出的25个基因进行了 研究, 我们的研究主要集中在抗增殖蛋白(prohibitin, PHB)上。PHB是一个32 kDa大小的泛表达的蛋白, 参与细胞能量代谢、细胞增殖、转录调控和肿瘤发 生等过程[17-20]。我们的研究发现, PHB对维持hESCs 自我更新特性具有非常重要的作用(图1)。特异性地 敲低PHB后, hESCs会出现明显的分化表型; 更重要 的是, 敲低PHB后, hESCs会出现组蛋白甲基化修饰 的异常。我们借助于IP/MS技术手段, 发现PHB能和 HIRA发生特异性的相互作用。进一步借助染色质免疫共沉淀(ChIP)技术, 我们发现, PHB/HIRA共同 调控了一系列基因, 包括多能性相关基因、发育相 关基因的转录调控, 特别是对异柠檬酸脱氢酶(IDH) 的调控, 进一步控制了α-KG的产生, 从而影响了双 加氧酶的活性, 塑造着染色质构象, 进一步决定着 hESCs的特性。

4 本研究的意义
hESCs拥有分化为机体内所有细胞类型和在合 适的培养条件下无限自我更新的潜能, 在再生医学 领域是非常珍贵的细胞来源, 而且对于在体外研究 人胚胎发育也是不可或缺的工具[1-2]。我们的研究不 仅发现了一个新的hESCs自我更新调控的基因, 更 重要的是, 揭示了表观通路对一个维持hESCs染色 质地貌和特性的关键代谢产物的调控。

虽然在众多细胞系中, 关于PHB多方面的功能 已经有很多研究, 然而它在hESCs中的作用是未知 的。我们的研究表明, PHB通过与HIRA复合体相 互作用, 对维持hESCs未分化的状态起到重要作用。 我们的多方面实验数据表明, PHB是HIRA复合物的 新组分: (1)PHB和HIRA复合物的每个已知组分都有 相互作用; (2)hESCs全细胞裂解液通过体积排阻色 谱时, PHB存在于对应复合物分子量的洗脱组分里; (3)PHB siRNA导致复合物的每个组分蛋白水平下 降, 提示其可能作为支架蛋白稳定整个复合物; (4) PHB缺失的hESCs和HIRA缺失的hESCs有相似的表 型, 包括细胞形态、标记基因表达谱、组蛋白甲基化、 α-KG水平和基因组水平H3.3的置入谱(deposition profile)变化。因此, PHB很可能是调控的H3.3置入 染色质的HIRA复合物的重要新组分。

我们的研究中另一个亮点是, 揭示了HIRA复 合物以及H3.3置入对异柠檬酸脱氢酶(IDH)转录的 调控, 阐释了表观遗传修饰对于代谢通路的调控。 最近有很多研究关注代谢产物对表观状态的调控, 如乙酰辅酶A的前体醋酸酯可以阻断早期的组蛋 白去乙酰化, 并延迟多能性细胞的分化[21]。但是, 表观遗传对代谢通路的作用和机制还有待研究。 我们的数据表明, PHB-HIRA复合物通过调控H3.3 在异柠檬酸脱氢酶启动子区域的置入与其他表观 调控因子相互协同, 来维持异柠檬酸脱氢酶的基因 表达和α-KG的产生。反之, 此代谢产物也能调节 维持表观修饰的关键酶。

综上所述, 我们的研究揭示了一个表观遗传和 代谢通路相互作用的环路。我们发现, α-KG维持 hESCs特性的重要作用和最近报道的其在mESCs 中的作用一致[22], 证明α-KG对于哺乳动物细胞多能 性的维持具有保守的功能。PHB参与了多个信号通 路以及细胞生存、代谢、肿瘤形成和炎症等生物学 过程。重要的是, 靶向PHB的药物研发进入了临床 实验阶段[20], 揭示了其在疾病和健康中的潜在作用。 我们的研究首次发现了PHB的全新功能, 包括在 hESCs中对染色质地貌和代谢产物的表观调控, 阐 释了其在细胞命运决定中的重要作用。针对PHBHIRA 复合物非依赖的功能的深入研究将更全面地 了解PHB的特性和功能。

参考文献 (References)
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