干细胞系列小知识(XXXXXX)-细胞的全能性和表观遗传调控- 大数跨境

一米生物

2025-03-25

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细胞的全能性和表观遗传调控

来源于内细胞团的胚胎干细胞具有三胚层分化的能力，但是不能分化成胚外组织，因此体外培养的胚胎干细胞通常不具有完整的全能性。体外全能性的获得和维持一直是干细胞研究领域的热点和难点。近年来，在对胚胎干细胞的研究中发现胚胎干细胞中存在一个小的细胞群体会呈现类似于 2-细胞胚胎(2C-like)的基因表达模式。这类细胞表达合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)相关的基因，并且具有部分的胚外组织嵌合能力^[1,2]。

另外，最近的研究表明，体外通过化学小分子诱导同样可以获得多能干细胞，被称为 EPSC，EPSC 不仅可以嵌合到胚胎内组织细胞，还可以嵌合到胚外组织胎盘和卵黄囊中，EPSC 所得到的嵌合体小鼠具有生殖系传递的能力，证明其具有一定的全能性^[3,4]。全能性细胞的表观遗传特征对全能性的获得和维持至关重要，近年来微量测序方法的建立和广泛应用也为这一领域的研究提供了强大的技术支持。

图1. MERVL-LTR 连接的 2C 基因网络在调节胚胎效力中的作用模型

2C-like 胚胎干细胞的表观遗传特征

2C-like 胚胎干细胞并不是稳定存在的,他是胚胎干细胞在培养过程中一个瞬时的状态改变，胚胎干细胞会自发变成 2C-like 胚胎干细胞，而2C-like 胚胎干细胞也会失去 2C-like 的特性，从而维持一个动态平衡的状态。因此发生在 2C-like 胚胎干细胞上的表观遗传改变大多是瞬时的，但也是实现其功能所必需的。

与普通的胚胎干细胞相比，2C-1ike 胚胎干细胞整体的染色质状态与 2-细胞胚胎接近，染色质结构更加松散。DNA 甲基化测序发现，在胚胎干细胞向 2C-like 状态转变的过程中，包括基因的启动子、基因体以及重复序列在内的大量基因组位点会发生明显的 DNA 去甲基化。但是直接敲除细胞的 DNA 甲基化酶却并不会引发胚胎干细胞向 2C-like 状态转变，这说明广泛的 DNA 去甲基化是细胞进人 2C-like 状态的一个变现，而不是导致 2C-like 细胞产生的原因^[5]。细胞的 2C-1ike 状态是瞬时的，当细胞退出 2C-like 状态时，基因组的 DNA 甲基化状态又会恢复到原来的水平，这个过程与 Zscan4 的瞬时表达有关，Zscan4 可以通过降解 DNA 甲基化相关蛋白 Uhrf1 以及 Dnmt1 来实现 DNA 甲基化的去除^[6]。

除了 DNA 甲基化的改变，组蛋白修饰在胚胎干细胞向 2C-like 状态转变的过程中也会发生明显的改变，同时伴随着重复序列的瞬时激活以及合子基因组激活相关基因的表达^[7]。在异染色质区域，激活性的 H3K27ac 修饰有显著增加，但是抑制性的 H3K9me2 修饰以及 DNA 甲基化却没有显著的去除。这种特性可能跟 2C-like 状态的不稳定有关，并且保证了随后状态的迅速转变。另外在很多被激活的基因启动子区域也有 H3K27ac 水平的显著增加^[7]。2C-like 细胞中特异性高表达的 Zscan4c基因被证实可以与多种表观修饰因子形成复合体，从而调控细胞的表观遗传[8]。除了 DNA 甲基化和组蛋白修饰的改变之外，2C-like 胚胎干细胞也呈现出更高的组蛋白流动性以及更高的染色质可及性。这些特性都与 2C-1ike 胚胎干细胞独特的基因表达谱密切相关。

EPSC的表观遗传改变

2017年，北京大学的邓宏魁团队和剑桥大学的刘澎涛团队采用小分子诱导的方式分别从胚胎干细胞和小鼠的 8-细胞胚胎中建立起可以稳定传代的多能胚胎干细胞系(分别称为 extended pluripotent stem cell 和expanded potential stem cell.均简称 EPSC)，并且具有胚外组织嵌合的能力。这些 EPSC 在表观遗传水平上也与现有的胚胎干细胞有明显的不同。

EPSC 最早是从 8-细胞胚胎中建立起来的，因此它的表观遗传特征更类似于小鼠的 8-细胞胚胎^[3]。其 DNA 甲基化处于相对中等的水平，但是 5-羟甲基胞嘧啶的含量却很高，这可能与 8-细胞胚胎正在经历的广泛的 DNA 主动去甲基化过程类似，转录组分析也证实与 DNA甲基化相关的甲基化酶和去甲基化酶在这类细胞中都处于较高的表达水平。与基因组的多数位置相比，印迹调控区域(imprinting control region,ICR)的 DNA 甲基化水平通常较高，并且对于细胞发育潜能的维持起到重要作用^[9]。与胚胎干细胞相比，EPSC 更容易维持 ICR区域的 DNA 甲基化稳定，这可能与其较高的发育潜能有关^[4]。在组蛋白修饰方面，小鼠的 EPSC 具有较高的 H3K27me3 修饰水平，相反地，人的 EPSC 中，H3K27me3 修饰的水平比人胚胎干细胞显著降低^[4]，而在小鼠的 EPSC 中，H3K27me3 修饰的水平与胚胎干细胞没有显著的差异^[3]。这些结果的不同是来源于物种的差异还是细胞发育潜能的差异还有待进一步的研究^[10]。

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参考文献

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[1] Macfarlan TS, Gifford WD, Driscoll S, et al. Embryonic stem cell potency fluctuates with endogenous retrovirus activity. Nature. 2012;487(7405):57-63. doi:10.1038/nature11244

[2] Ishiuchi T, Enriquez-Gasca R, Mizutani E, et al. Early embryonic-like cells are induced by downregulating replication-dependent chromatin assembly. Nat Struct Mol Biol. 2015;22(9):662-671. doi:10.1038/nsmb.3066

[3] Yang J, Ryan DJ, Wang W, et al. Establishment of mouse expanded potential stem cells. Nature. 2017;550(7676):393-397. doi:10.1038/nature24052

[4] Yang Y, Liu B, Xu J, et al. Derivation of Pluripotent Stem Cells with In Vivo Embryonic and Extraembryonic Potency. Cell. 2017;169(2):243-257.e25. doi:10.1016/j.cell.2017.02.005

[5] Eckersley-Maslin MA, Svensson V, Krueger C, et al. MERVL/Zscan4 Network Activation Results in Transient Genome-wide DNA Demethylation of mESCs. Cell Rep. 2016;17(1):179-192. doi:10.1016/j.celrep.2016.08.087

[6] Dan J, Rousseau P, Hardikar S, et al. Zscan4 Inhibits Maintenance DNA Methylation to Facilitate Telomere Elongation in Mouse Embryonic Stem Cells. Cell Rep. 2017;20(8):1936-1949. doi:10.1016/j.celrep.2017.07.070

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[8] Zhang W, Chen F, Chen R, et al. Zscan4c activates endogenous retrovirus MERVL and cleavage embryo genes. Nucleic Acids Res. 2019;47(16):8485-8501. doi:10.1093/nar/gkz594

[9] Choi J, Huebner AJ, Clement K, et al. Prolonged Mek1/2 suppression impairs the developmental potential of embryonic stem cells. Nature. 2017;548(7666):219-223. doi:10.1038/nature23274

[10] 刘中民.干细胞研究：从基础到临床[M].北京:人民卫生出版社, 2024:101-103.

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