细胞周期调节表观修改促细胞命运转变机制

近日，中国科学院广州生物医学与健康研究院研究员郑辉团队与西湖大学教授裴端卿团队合作，揭示了调节细胞周期影响表观遗传修饰、促进体细胞重编程诱导多能干细胞的新机制，为深入了解细胞命运转变提供了新思路。相关成果发表在《先进科学》上(Advanced Science)。

在国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助下，该研究首先将转录激活域VP16(来自疱疹病毒)整合到两个关键转录因子OCT4和SOX2中，构建了增强因子组合OVSVK。结果表明，与经典的转录因子组合OSK相比，OVSVK新组合可以在重编程的第四天诱导具有生殖嵌合能力的多能干细胞，重编速度远远超过传统方法。然后，单细胞测序和实验表明，OVSVK可以显著调节细胞周期结构的变化，缩短DNA合成的早期阶段(G1期)、延长DNA合成期(S期)，从而快速建立类似胚胎干细胞的周期模式。

通过sirna文库对细胞周期基因的筛选，研究小组获得了在OSK系统中表达细胞周期蛋白E1基因的G1/S-特异性周期蛋白-D1(Ccnd1)和多重肿瘤抑制基因(Cdkn2)a)的因子组合(CCC)。该组合还可以影响细胞周期结构，加速重编程，进一步证实细胞周期调节在重编程过程中起着重要作用。

随后，对OSK和OVSVK系统中基因表达、染色质开放水平、组蛋白甲基化、乙酰化等表观遗传修饰的异同进行了比较分析。发现在OVSVK中表达较高但不直接受OS监管的下游基因具有较低的H3K27me3(组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化)修饰水平。有趣的是，这些基因的表达和表观修饰水平在CC系统中具有相似的现象，表明细胞周期结构的变化影响了子代细胞的表观修饰。

研究表明，复制染色质后，新合成染色质上的表观遗传修饰(如DNA甲基化、组蛋白修饰等)需要从S期、G2期到M期的转变，并在子代细胞G1中逐渐恢复。然而，这种表观遗传修饰的延迟恢复尚未报道细胞命运的调节。

本研究结合荧光泛素细胞周期指示系统和图像识别，分析了重编程中不同细胞周期细胞的表观遗传修饰水平，揭示OvsvkG1期缩短阻碍H3K27me3的恢复，从而促进基因表达水平的提高。

本研究阐明了Ovsvk快速重编程机制，一方面整合VP16，促进OS直接下游基因的表达;另一方面，通过改变细胞周期结构和影响组蛋白H3K27me3来调节非OS直接下游基因表达。本研究为了解细胞周期影响表观的遗传修饰，促进细胞命运的转变提供了新的视角，也为深入了解重编程机制提供了理论支持。