专家点评NCB | 张毅组揭示多能干细胞向全能干细胞转换的关键调控因子

科技工作者之家 2019-06-18

来源:BioArt

多能性 (pluripotency)指一个细胞可以分化成所有胚胎内组织的能力,它的建立以及调控的分子机制已经以多能性干细胞为模型得到了全面的研究。与之相对的,全能性(totipotency)是指一个细胞可以分化成胚胎内组织以及外胚胎组织的能力。长时间以来,全能性的研究只能通过1-细胞期和2-细胞期的胚胎进行,因此受到很大的限制。全能性的建立以及调控的分子机制也尚未明确。

在小鼠的多能性胚胎干细胞中,有少量的细胞(<1%)能够表达一些在二细胞胚胎时期特异性表达的基因,例如MERVL和Zscan4【1】,并且不表达许多多能性相关基因,比如Sox2。这些细胞因此被称之为2-cell embryo-like embryonic stem cells (2C-like cells)【1】。2C-like 细胞具有全能性,并且和2-细胞胚胎的转录组具有一定的相似性。与2-细胞胚胎相比,2C-like 细胞更容易获取。 目前,2C-like 细胞是珍贵的用于研究全能性的体外细胞模型【2】。但是,普通多能干细胞如何转变成为全能2C-like 细胞?有什么细胞内因子对这个转变过程起到调控作用?这些问题是我们理解2C-like 细胞模型的基础,却因为2C-like 细胞数目稀少,尚未得到系统的研究。

2019年6月10日, 来自哈佛医学院的张毅教授研究团队在Nature Cell Biology杂志上在线发表了题为Myc and Dnmt1 impede the pluripotent to totipotent state transition in embryonic stem cells的长文。该团队发现,多能干细胞向全能干细胞转变过程中会经历一个中间细胞状态,并且经历两个阶段的转录组变化。除此以外,文章还揭示了多个调控这个转变过程的因子,包括Myc以及Dnmt1。

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该研究利用转录因子Dux来诱导多能干细胞向全能2C-like 细胞的转变【3-5】,解决了全能2C-like 细胞过少的瓶颈。除此,团队结合了流式细胞仪分离的细胞群转录组测序以及单细胞转录组测序技术,揭露了多能干细胞向全能细胞转变过程中的完整的转录组变化,并发现了变化过程中所包含的一个中间细胞状态。转录组变化过程包含了两个阶段:第一个阶段是从多能干细胞到中间细胞状态,这个阶段中多能性相关基因的表达,如Sox2以及Klf4,受到了抑制。第二个阶段是从中间细胞状态到全能性2C-like 细胞转变,在这个阶段中二细胞胚胎时期特异表达的基因的表达,诸如MERVL 和Zsacn4,开始大规模激活。

以往关于2C-like 细胞的研究发现了一些调控因子,但这些因子大多调控Dux,而非对多能向全能转变本身进行调控。该研究利用了CRISPR-Cas9 介导的全基因组筛选技术,在Dux激活的条件下寻找调控转变过程本身的因子,并找到了多个潜在的调控网络,包括Dnmt1相关的基因组甲基化,TOR信号通路等。为了研究细胞内因子对转录组变化的调控,文章选择了Myc以及Dnmt1进行了机理研究。研究发现Myc阻碍了多能性相关基因的抑制,从而阻碍了多能性干细胞向全能2C-like细胞转变过程中的第一阶段的转录组变化。 Dnmt1则是通过阻碍二细胞胚胎时期特异表达的基因的激活,从而抑制了转变过程中第二阶段的转录组变化。

总结来说,本文阐述了转录组水平上多能性干细胞向全能型2C-like细胞的转变过程。这个过程包含两个阶段以及一个中间细胞状态。除此以外, 该研究筛选出多个潜在调控多能向全能转变的因子,并发现了Myc以及Dnmt1分别特异性阻碍第一阶段以及第二阶段的转变。此结论为我们了解全能性在细胞里的建立以及调控机制提供了线索,并且为我们未来更好的利用2C-like细胞来模型研究全能性提供了理论基础。

延伸阅读:

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专家点评

邓宏魁(北京大学基础医学院细胞生物系主,北京大学干细胞研究中心主任,北大-清华生命科学联合中心研究员)

 

胚胎发育早期的细胞,如受精卵和早期的胚胎卵裂球(小鼠2细胞期胚胎卵裂球),具有形成个体发育所需的所有细胞类型的能力,被称为全能性(totipotency)。全能性获得和调控的机制一直是发育生物学研究的重要科学问题。最近单细胞组学技术的迅速发展使得全面深入了解胚胎中全能性调控的过程成为了可能。但由于早期具有全能性的胚胎细胞数量极少,因此很难利用高通量的功能性筛选来深入研究不同因子对于全能性调控的影响和机制。

近年来的研究发现:在小鼠胚胎干细胞的细胞群里存在一小部分(<1%)表达2细胞期胚胎特异转录物的细胞,被称为2C-like细胞。在小鼠胚胎干细胞群落中,极少量的小鼠胚胎干细胞会自发地短暂转变为2C-like细胞的状态。2C-like细胞具有了2细胞胚胎的部分转录特征,并且具有胚内和胚外的发育潜能,为在体外研究全能性的调控提供有力的工具,是目前最为常用的研究全能性调控的体外模型。利用这一模型,一些调控2C-like细胞形成的因子被陆续鉴定出来,其中最重要的一个因子是Dux:在小鼠胚胎干细胞中过表达Dux就能显著提高2C-like细胞的比例。然而,Dux是如何调控激活2C-like细胞中的全能性相关的调控网络,目前仍不清楚。

Nature Cell Biology在线发表了由哈佛医学院的张毅课题组完成的“Myc and Dnmt1 impede the pluripotent to totipotent state transition in embryonic stem cells”的论文。该团队在小鼠胚胎干细胞中首先构建了可调控的Dux过表达体系,实现了在体外高效诱导小鼠胚胎干细胞转变为2C-like细胞。基于这一体系,团队进一步通过单细胞测序深入分析了这一转变过程,发现可以小鼠胚胎干细胞转变为2C-like细胞的过程可以分为两个阶段:首先小鼠胚胎干细胞中的多能性调控网络会下调,随后2C-like细胞的特异转录调控网络会出现上调。在深入了解这一转变过程的基础上,团队通过CRISPR高通量筛选的方式,发现了一系列影响小鼠胚胎干细胞向2C-like细胞转变的重要因子,这其中最为关键的是Myc和Dnmt1,均抑制了小鼠胚胎干细胞向2C-like细胞的转变。进一步的研究发现,Myc和Dnmt1分别作用于不同的阶段:Myc的抑制作用体现在早期多能性网络下调的阶段,而Dnmt1的抑制作用体现在后期2C胚胎转录调控网络上调的阶段。

这一工作系统性地揭示了体外2C-like细胞形成的分子路径和影响2C-like细胞形成的关键因子,特别是剖析了Dux激活后是如何启动2C-like细胞的调控网络的,有助于深入理解全能性的获得机制。未来可以针对该工作中发现的影响2C-like细胞形成的一系列因子(特别是Myc和Dnmt1),在早期胚胎中进一步研究这些因子是否同样对胚胎全能性的获得和调控具有重要作用。

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41556-019-0343-0


参考文献

1. Macfarlan, T. S. et al. Embryonic stem cell potency fluctuates with endogenous retrovirus activity. Nature 487, 57-63, doi:10.1038/nature11244 (2012).

2. Lu, F. & Zhang, Y. Cell totipotency: molecular features, induction, and maintenance. Natl Sci Rev 2, 217-225, doi:10.1093/nsr/nwv009 (2015).

3. Whiddon, J. L., Langford, A. T., Wong, C. J., Zhong, J. W. & Tapscott, S. J. Conservation and innovation in the DUX4-family gene network. Nat Genet 49, 935-940, doi:10.1038/ng.3846 (2017).

4. De Iaco, A. et al. DUX-family transcription factors regulate zygotic genome activation in placental mammals. Nat Genet 49, 941-945, doi:10.1038/ng.3858 (2017).

5. Hendrickson, P. G. et al. Conserved roles of mouse DUX and human DUX4 in activating cleavage-stage genes and MERVL/HERVL retrotransposons. Nat Genet 49, 925-934, doi:10.1038/ng.3844 (2017).

来源:BioGossip BioArt

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