清華新聞網(wǎng)12月18日電 細(xì)胞的多能性（pluripotency）是指一種細(xì)胞可以分化為所有體細(xì)胞類(lèi)型的潛能。在哺乳動(dòng)物的早期發(fā)育過(guò)程中，具有全能性的胚胎在囊胚時(shí)期發(fā)生第一次細(xì)胞命運(yùn)決定，形成內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（ICM）和滋養(yǎng)層（TE）。其中內(nèi)細(xì)胞團(tuán)將產(chǎn)生整個(gè)胚胎譜系和未來(lái)的個(gè)體。多能性被認(rèn)為首先出現(xiàn)在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中，并逐漸經(jīng)歷原始態(tài)（Na?ve）、形成態(tài)（Formative）和始發(fā)態(tài)（Primed）的轉(zhuǎn)變。先鋒轉(zhuǎn)錄因子（pioneertranscription factors）例如OCT4和SOX2在多能性的調(diào)控中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，被認(rèn)為能夠結(jié)合并主動(dòng)打開(kāi)封閉染色質(zhì)，進(jìn)而啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。日本科學(xué)家山中伸彌等人通過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子OCT4，SOX2，KLF4和MYC可以將終末分化的體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSC）。然而，關(guān)于先鋒因子如OCT4和SOX2如何調(diào)控多能性的研究前期主要基于體外培養(yǎng)的胚胎干細(xì)胞。這些因子在胚胎體內(nèi)如何調(diào)控多能性程序至今仍然成謎。
12月15日，清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉課題組在《科學(xué)》（Science）期刊上以長(zhǎng)文形式發(fā)表了題為“早期胚胎多種SOX2-增強(qiáng)子互作模式調(diào)控多能性程序”（Multifaceted SOX2-chromatin interaction underpins pluripotency progression in early embryos）的研究論文，報(bào)道了多能性先鋒因子SOX2在哺乳動(dòng)物早期胚胎多能性建立和轉(zhuǎn)換過(guò)程中的調(diào)控機(jī)制。這一研究發(fā)現(xiàn)早期胚胎中SOX2與染色質(zhì)并非簡(jiǎn)單通過(guò)先鋒因子模式打開(kāi)染色質(zhì)啟動(dòng)基因表達(dá)，而是存在“Settler”“Pioneer”和“Pilot”等多種與染色質(zhì)互作模式。SOX2作為Pioneer主導(dǎo)建立的多能性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在晚期囊胚才會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)。在該時(shí)期之前，早期囊胚中存在一種介于全能性和多能性之間的細(xì)胞狀態(tài)，稱(chēng)為Pre-pluripotency。在Pre-pluripotency狀態(tài)下，SOX2主要通過(guò)Settlerbinding而非主動(dòng)打開(kāi)染色質(zhì)的方式介導(dǎo)基因表達(dá)，以完成與上游轉(zhuǎn)錄因子（NR5A2與TFAP2C）調(diào)控網(wǎng)絡(luò)銜接，最終建立胚胎發(fā)育中時(shí)空特異的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與細(xì)胞多能性狀態(tài)。
通過(guò)優(yōu)化CUT&RUN技術(shù)，研究者首先捕獲了小鼠胚胎中多能性轉(zhuǎn)錄因子SOX2與染色質(zhì)全基因組的結(jié)合位點(diǎn)，涵蓋了從胚胎發(fā)育第3.5天（E3.5）到第7.5天（E7.5）多能性細(xì)胞出現(xiàn)的全進(jìn)程。利用SOX2基因敲除胚胎和胚胎干細(xì)胞，研究人員系統(tǒng)探究了SOX2在多能性建立與轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)于基因表達(dá)和開(kāi)啟染色質(zhì)的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SOX2在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中與染色質(zhì)的互作并非呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的先鋒因子模式，而是表現(xiàn)出多種模式，包括“Settler binding”“Pioneer binding”和“Pilot binding”。在E3.5 ICM中，SOX2主要結(jié)合已開(kāi)放增強(qiáng)子（“Settler binding”）并促進(jìn)ICM基因表達(dá)。這些預(yù)先開(kāi)放的增強(qiáng)子部分由早期表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子TFAP2C和NR5A2介導(dǎo)打開(kāi)。其中NR5A2為頡偉實(shí)驗(yàn)室近期鑒定的全能性胚胎核心調(diào)控因子。同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)E3.5 ICM處于一個(gè)獨(dú)特的“前多能性”（Pre-pluripotency）狀態(tài)，介于全能性和多能性之間，在這個(gè)時(shí)期多能性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還處在原始時(shí)期，多能性先鋒因子尚未進(jìn)入主導(dǎo)地位，但通過(guò)結(jié)合已開(kāi)放染色質(zhì)協(xié)助基因表達(dá)，以完成與上游發(fā)育程序的銜接。
隨后，多能性細(xì)胞在E4.5進(jìn)入處于原始態(tài)多能性上胚層（na?ve epiblast），以及在E5.5進(jìn)入形成態(tài)多能性的上胚層（formative epiblast）。此時(shí)，SOX2在染色質(zhì)發(fā)生了兩次大規(guī)模的重新定位，打開(kāi)沉默的染色質(zhì)并啟動(dòng)基因表達(dá)，幫助啟動(dòng)na?ve pluripotency和formative pluripotency程序（“Pioneer binding”）。另外，SOX2也可以結(jié)合在尚未開(kāi)放的增強(qiáng)子上，并為其在進(jìn)入下一個(gè)階段的快速打開(kāi)做準(zhǔn)備（“Pilot binding”）。綜上所述，這項(xiàng)研究工作揭示了早期胚胎發(fā)育過(guò)程中多能性程序的調(diào)控機(jī)制和先鋒因子的工作機(jī)制，為更好地理解多能性和細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控，以及體內(nèi)體外多能性研究模型奠定了基礎(chǔ)。
早期胚胎發(fā)育中SOX2通過(guò)多種先鋒轉(zhuǎn)錄因子-增強(qiáng)子互作模式調(diào)控多能性程序
清華大學(xué)生命學(xué)院教授頡偉為論文通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院博士李麗佳（已畢業(yè)）、賴(lài)方秾?zhuān)ㄒ旬厴I(yè)），2019級(jí)博士生胡曉瑜以及博士后劉伯峰為論文共同第一作者。該課題得到清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心基因測(cè)序平臺(tái)以及計(jì)算平臺(tái)的大力協(xié)助和支持。劉伯峰獲得了清華大學(xué)水木學(xué)者計(jì)劃支持。研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華-北大生命科學(xué)中心的支持。
論文鏈接：
http://doi.org/10.1126/science.adi5516
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
