同濟(jì)大學(xué)高紹榮教授與美國西奈山醫(yī)學(xué)院王建龍教授聯(lián)合在《Cell Stem Cell》發(fā)表論文揭示DUX-miR-344-ZMYM2介導(dǎo)的MERVL激活在全能性樣細(xì)胞產(chǎn)生過程中的作用
2月6日，同濟(jì)大學(xué)高紹榮教授課題組聯(lián)合美國西奈山醫(yī)學(xué)院（現(xiàn)哥倫比亞大學(xué)歐文醫(yī)學(xué)中心）王建龍（Jianlong Wang）教授課題組在《Cell Stem Cell》雜志在線發(fā)表了題為“DUX-miR-344-ZMYM2-Mediated Activation of MERVL LTRs Induces a Totipotent 2C-like State” 的研究論文。揭示了DUX-miR-344-ZMYM2介導(dǎo)的MERVL激活在全能性樣細(xì)胞產(chǎn)生過程中的作用。
小鼠胚胎干細(xì)胞（ESC）來源于囊胚時(shí)期的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，因其發(fā)育成胚胎所有三胚層細(xì)胞的能力而被視為多潛能性細(xì)胞，但其幾乎不對(duì)胚胎外組織的形成有任何貢獻(xiàn)。而全能性細(xì)胞，如一細(xì)胞合子（Zygote）及二細(xì)胞時(shí)期（2-Cell）的單個(gè)卵裂球，既能發(fā)育形成胚胎組織，又可以發(fā)育成胚胎外組織。體外培養(yǎng)的小鼠胚胎干細(xì)胞中，有極小部分（1%-5%）細(xì)胞具有擴(kuò)展的多能性，即這類細(xì)胞既可以向胚胎組織分化（嵌合入小鼠組織器官），也具有向胚外組織分化的潛能（嵌合入胎盤）。此類細(xì)胞也被稱為2C樣細(xì)胞（2CLC, 2-Cell like cell）。前期的研究發(fā)現(xiàn)，2CLC中存在高水平的MERVL轉(zhuǎn)錄。此外，包括Zscan4基因家族在內(nèi)的大量二細(xì)胞特異性基因，也被顯著地激活。然而，目前對(duì)2C狀態(tài)調(diào)節(jié)的理解在很大程度上，聚焦于鑒定和表征ESC富集的編碼或非編碼分子，這些分子將ESC的細(xì)胞命運(yùn)潛能限制為多能性狀態(tài)，而非將其激活為2C狀態(tài)。 例如，先前的研究已經(jīng)揭示了許多限制小鼠ESC中的2C狀態(tài)的關(guān)鍵因子，包括LSD1, CAF-1，KAP1，G9A，miR-34a，PRC1.6，EP400-TIP60復(fù)合物和PIAS4 SUMO E3連接酶等。與之相反的是，Dux是第一個(gè)被鑒定為在ESC中，可正向調(diào)節(jié)并激活2C狀態(tài)的轉(zhuǎn)錄因子。但是，Dux下游如何調(diào)節(jié)2C狀態(tài)的詳細(xì)分子事件還未被闡述。
在本項(xiàng)研究中，研究人員構(gòu)建了Zscan4-GFP;2C::tdTomato雙報(bào)告系統(tǒng)來標(biāo)記2CLC細(xì)胞系。通過對(duì)2CLC雙陽性（DR+/+）細(xì)胞中的核小體全局分布及基因表達(dá)分析，確立了非編碼RNA miR-344在2CLC形成中的正向調(diào)節(jié)作用。為進(jìn)一步進(jìn)行分子機(jī)制研究，研究人員利用CRISPR-dCas9系統(tǒng)，構(gòu)建了MERVL與miR-344分別激活的細(xì)胞系，結(jié)合測序分析及體內(nèi)嵌合體實(shí)驗(yàn)，證明了2C的開放染色質(zhì)使轉(zhuǎn)錄因子（如Dux）更容易激活miR-344，而miR-344又通過多層級(jí)參與激活了MERVL。首先，miR-344經(jīng)轉(zhuǎn)錄后抑制ZMYM2和LSD1，而ZMYM2的去除導(dǎo)致LSD1在MERVL和2C特異性基因上的結(jié)合丟失。其次，LSD1可以作為賴氨酸特異性去甲基酶使H3K4me1和H3K4me2發(fā)生去甲基化，造成轉(zhuǎn)錄失活。因此，miR-344對(duì)LSD1的轉(zhuǎn)錄后抑制，導(dǎo)致MERVL和2C特異性基因的激活。 第三，Dux還可以直接激活MERVL和相關(guān)的2C基因的表達(dá)。與DUX過表達(dá)一致的是，在早期胚胎發(fā)育中siZmym2的注射可造成部分卵裂球的發(fā)育阻滯，此類胚胎的免疫染色顯示ZSCAN4和MERVL在囊胚階段的異常激活。最后，ZMYM2可以直接結(jié)合并抑制Gata2，Gata2是一種在激活MERVL/MT2和2C基因過程中發(fā)揮作用的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。因此，我們的研究確立了miR-344是2CLC擴(kuò)展多能性和植入前發(fā)育的第一個(gè)非編碼正向調(diào)控因子，通過DUX→miR-344-|Zmym2/Lsd1-|MERVL通路來調(diào)控2CLC的全能性，增加了全能性分子控制及其向多能性轉(zhuǎn)變研究的豐富性。
美國西奈山醫(yī)學(xué)院王建龍課題組楊藩博士，黃欣博士，以及同濟(jì)大學(xué)高紹榮教授課題組博士研究生臧茹歌，為本文的共同第一作者。同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳嘉瑜副教授也參與該研究。高紹榮教授與王建龍教授為本文的共同通訊作者。該研究得到了科技部、基金委和中國留學(xué)基金委的項(xiàng)目支持。
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