张毅团队再取新突破，发现全能型向多能性细胞转变的机制

来源：iNature

全能性是指细胞产生生物体的所有细胞类型的能力。与多能性不同，对全能性的建立知之甚少。在小鼠胚胎干细胞中，Dux通过表达2细胞 - 胚胎特异性转录物将一小部分细胞驱动成全能状态。但是这种转变是如何发生的，让人捉摸不透。

2019年6月17日，霍华德休斯医学研究所/哈佛大学张毅团队在Nature Cell Biology 在线发表题为“Myc and Dnmt1 impede the pluripotent to totipotent state transition in embryonic stem cells”的研究论文，该研究进行了单细胞RNA-seq，揭示了一个两步转录重编程过程，其特征在于第一步中多能基因的下调和第二步2细胞胚胎特异性元件的上调。为了确定控制转变的因素，该研究进行了CRISPR-Cas9介导的筛选，揭示了Myc和Dnmt1作为阻止转变的两个因素。机制研究表明，Myc在第一步中阻止了多能基因的下调，而Dnmt1在第二步中阻止了2细胞胚胎特异性基因的激活。总的来说，该研究结果揭示了对小鼠胚胎干细胞中全能状态的建立和调节的见解。

另外，2019年5月27日，哈佛医学院张毅团队在Nature Genetics 在线发表题为“Loss of DUX causes minor defects in zygotic genome activation and is compatible with mouse development”的研究论文，该研究生成了Dux簇敲除（KO）转基因鼠。 出乎意料的是，发现Dux合子KO（Z-KO）和母体合子KO（MZ-KO）胚胎都可以存活到成年期，尽管显示出发育潜力降低。 此外，MZ-KO胚胎的转录组分析显示DUX的丧失对ZGA的影响最小，并且2C样细胞中的大多数DUX靶通常在MZ-KO胚胎中被激活。 因此，与DUX在诱导2C样细胞中的关键功能相反，该数据表明DUX在ZGA中仅具有次要作用，并且DUX的缺失与小鼠发育兼容（点击阅读）。

受精后，小鼠基因组在晚期1细胞和2细胞阶段开始活化。这个过程被称为合子基因组激活，并且与全能性的增加相一致，全能性是细胞产生胚胎和胚外细胞类型的能力。有趣的是，在这个阶段，一组基因（例如，Zscan4基因）和重复序列（例如，MERVL重复序列）被瞬时激活，这表明它们在建立全能性中的作用。然而，全能性的分子特征仍然难以捉摸，部分原因在于哺乳动物胚胎的稀缺性。

张毅

在改良条件下衍生或培养的小鼠胚胎干细胞（mESC）显示出全能样发育潜力，但这些细胞在转录上不同于2-细胞胚胎。有趣的是，在血清/白血病抑制因子（LIF）培养条件下，<1％的mESCs表现出2细胞胚胎的几个特征，包括2细胞 - 胚胎特异性转录物的表达，多能性基因的下调，组蛋白迁移率增加 ，分散的着丝粒等。这种自发的2细胞样（2C样）状态是可逆的，并且几乎所有的mESC都能够在ESC和2C样状态之间循环。与难以大量获得的2细胞胚胎相比，2C样细胞可以很容易地从胚胎干细胞中分离出来，使它们成为理解全能性和合子基因组激活的良好模型。

虽然据报道有几种因子，如Tet蛋白，可调节2C样细胞的形成，但仍然缺乏对2C样转变的详细机制理解，部分原因是2C样细胞的频率较低。在小鼠胚胎干细胞中，Dux通过表达2细胞 - 胚胎特异性转录物将一小部分细胞驱动成全能状态。但是这种转变是如何发生的，让人捉摸不透。

该研究进行了单细胞RNA-seq，揭示了一个两步转录重编程过程，其特征在于第一步中多能基因的下调和第二步2细胞胚胎特异性元件的上调。为了确定控制转变的因素，该研究进行了CRISPR-Cas9介导的筛选，揭示了Myc和Dnmt1作为阻止转变的两个因素。机制研究表明，Myc在第一步中阻止了多能基因的下调，而Dnmt1在第二步中阻止了2细胞胚胎特异性基因的激活。总的来说，该研究结果揭示了对小鼠胚胎干细胞中全能状态的建立和调节的见解。

参考信息：

https://www.nature.com/articles/s41556-019-0343-0