陈捷凯团队发现H3K9甲基化酶SETDB1限制多能性向全能性转换

来源：BioArt

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小鼠胚胎干细胞具有发育的多能性，可以产生除滋养外胚层之外其他所有成体细胞类型【1】，因此在发育潜能上与受精卵、2细胞期胚胎等早期胚胎细胞的全能性存在差别。近些年来发现小鼠胚胎干细胞中有小比例的细胞会自发激活2细胞期的特异转座元件MERVL，并具有小鼠2细胞期合子基因组激活（ZGA）的转录谱特征，因此这种细胞被定义为2C-like细胞，具有全能性的特征【2】。这一转换过程被广泛作为体外研究全能性和ZGA的模型【3-6】。

2020年1月7日，中国科学院广州生物医药与健康研究院陈捷凯研究组在Cell Reports在线发表题为SETDB1-mediated Cell Fate Transition Between 2C-like and Pluripotent States的研究论文。该研究发现了H3K9甲基化酶SETDB1在全能性重编程中的作用，其敲除可促进多能性向全能性转换，且在ground state培养条件下Setdb1敲除会引起程序性坏死。该结果阐释了Setdb1介导的H3K9甲基化对多能性建立以及胚胎干细胞存活的重要作用，进一步支持了SETDB1在早期胚胎发育过程中的重要地位。

该研究主要的内容如下：

1. 确定Setdb1介导的H3K9me3在全能性向多能性发育过程中的重要性。

同济大学高绍荣团队早前发现，早期胚胎从2C发育到ICM的过程中H3K9me3的重建起着重要作用，其直接参与了转座元件LTR的抑制以及转录抑制（详见BioArt报道：NCB丨高绍荣、张勇合作组揭示胚胎发育异染色质修饰的重编程过程——沈立点评）【7】。在已知的H3K9me3甲基化酶中，Setdb1的缺失是致死表型出现最早的，会造成囊胚发育缺陷【8】。这一工作发现在多能性状态下敲除Setdb1，细胞启动2C阶段的转录程序，说明Setdb1在多能性状态下扮演了全能性的限制器作用。结合其他研究结果，可以确定Setdb1介导的H3K9me3在全能性向多能性发育过程中的重要性。

2. 对Setdb1的功能作出完整的阐述

之前研究显示在胚胎干细胞中敲除Setdb1会导致滋养外胚层分化，但滋养外胚层的一些关键因子如Cdx2附近并没有Setdb1介导的H3K9me3，因此这一过程的分子机制并不清晰。本研究中发现在胚胎干细胞中，基因组上可比对的序列上的H3K9me3基本都是由Setdb1所催化的，并与Setdb1敲除后的基因激活呈显著相关，其中就包括Dux的激活。尽管Dux对胚胎发育过程中的ZGA并非必须的（专家点评Nature Genetics | 张毅团队证明体内DUX并非小鼠胚胎基因组激活的关键因子；Cell Research丨高绍荣团队全面描绘DUX在小鼠胚胎基因组激活中的作用）【9】，但多个研究表明其对从多能干细胞诱导到2C-like状态是必须的【4-6,10,11】，本研究中通过Dux敲除的方法阻碍了Setdb1敲除引发的2C-like转换，在这一条件下也无法观察到滋养外胚层的分化标志物，说明Setdb1敲除并不是直接导致滋养外胚层产生，而是通过产生具有全能性的2C-like细胞再获得分化为滋养外胚层的潜能的。

另一方面，科学家在2C-like转换的模型上做了许多筛选，由于已知同是H3K9甲基化酶G9a以及与Setdb1相互作用沉默逆转录元件因子Kap1都被报导抑制2C-like转换【12】，其中Setdb1主要抑制I型和II型逆转录元件（MERVL属于III型）【13】，所以这些研究都有重点比较过Setdb1的作用，但都得到阴性结果【12,14,15】，所以本领域之前倾向于认为Setdb1可能未在全能性到多能性的分化过程中扮演重要角色，这也导致对该发育过程重要表观遗传标记H3K9me3的执行者存在疑惑。本研究通过详细比较这些研究过程，发现这些阴性结果都是采用RNA干扰策略且敲降效率未优化的方法所得到的，只有通过敲除或加强敲降效率（如两轮转染siRNA），才可以观察到Setdb1缺失后引发的2C-like程序。这说明Setdb1的功能是剂量敏感的，也将之前相关的研究间的不一致统一起来，从而较全面的总结阐明了Setdb1在多能性调控中的功能。

3. 发现在“ground state”状态下Setdb1的调控功能

本研究是从比较经典培养方法（SL, serum+LIF）和ground state培养方法（2iL,pD0325901+chir99021+LIF）中Setdb1的功能差异开始的，也因此发现Setdb1敲除后在两个系统中都引发2C-like程序，而只在经典方法中诱导滋养外胚层分化。通过探索这其中的差异，本研究发现了前面所提的一些内容。Ground state状态是抑制2C-like转变的，但原因并不清楚。在本研究中对这个问题给出了两方面探索，第一方面，由于ground state阻碍多能性蛋白在2C-like转换中的去除，本研究发现过表达Nanog也可以完全阻止Setdb1敲除导致的2C-like转换；另一方面，在Ground state的培养状态下，敲除Setdb1会导致细胞启动RIPK3依赖性的程序性坏死，导致细胞迅速死亡。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.12.010

参考文献

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