【重磅学术】徐国良院士在《Nature》发表文章阐明TET家族蛋白在胚胎发育中的重要作用

北京时间10月20号凌晨，《Nature》杂志在线发表了来自中科院上海生化细胞所徐国良院士课题组的最新成果，该篇文章系统的研究了DNA去甲基化酶TET家族蛋白在小鼠胚胎发育过程中的重要作用，值得一提的是该篇文章中首次分析了TET家族蛋白3敲后小鼠不同发育时期的表型和机理，发现了TET介导的5mC氧化调控了Lefty–Nodal 信号通路。这些发现揭示了一个基础的表观遗传机理，表明动态的DNA甲基化和去甲基化过程在早期胚胎发育过程中对于调控一些关键的信号通路是非常重要的。

DNA dioxidase（双加氧酶）Tet家族蛋白自2009年发现以来，一直是表观遗传学领域最热门的明星蛋白。徐国良组2011年的Nature文章研究了Tet3在植入前胚胎发育中的功能，报道了Tet3敲除的表型，发现其有围产期致死（neonatal lethality）的表型。而其它研究组关于Tet1和Tet2的研究发现，Tet1和Tet2敲除纯合鼠可正常存活和繁育后代，其生长及各器官形态结构未见异常；老年Tet2敲除小鼠表现增多的髓系造血干细胞，暗示了其突变在血液病中的作用。

徐国良课题组2011年发表的《Nature》文章截图

尽管有上述一些TET敲除小鼠模型，但是目前尚未有报道TET家族三个蛋白同时敲除后对小鼠早期胚胎发育影响的报道。刚刚在线的这一篇Nature文章，则进一步研究了胚胎植入后Tet蛋白的功能，揭示了Tet1、Tet2、Tet3在小鼠早期胚胎发育中三敲除致死的机制。

由于单个Tet基因敲除在原肠胚形成阶段没有表型缺陷，他们认为这是功能冗余造成的。因此他们做了条件诱导的Tet TKO小鼠。通过三敲除Tet的催化结构域的小鼠，他们发现其胚胎发育缺陷表型和Nodal信号通路过度激活的表型类似。而在Tet突变背景下引入Nodal突变，可以部分恢复原肠胚形成的缺陷表型。而通过RNA-seq，他们发现Nodal信号通路的失调，是其竞争抑制蛋白Lefty的调控。有意思的是，Lefty基因的表达减少受DNA甲基化上升的调节，这种升高的DNA甲基化，是Tet去甲基化酶功能失活造成的。有意思的是，Lefty基因的表达减少受DNA甲基化上升的调节，这种升高的DNA甲基化，是Tet去甲基化酶功能失活造成的。通过在Tet缺陷遗传背景下引入两个DNA 从头(De novo)甲基化酶DNMT3a或者3b的突变，他们证明这可以恢复Lefty–Nodal信号通路以及原肠胚形成缺陷表型。最后，通过Tet1/2突变背景下的Tet3催化域单位点突变，他们证明Lefty基因的确是受DNA甲基化调节的，而不是Tet3和其它蛋白的相互作用调控的。

Lefty-Nodal信号通路简介：Nodal蛋白是“转化生长因子-β”（TGF-β）家族的成员之一，近年来发现其在调控胚胎干细胞多潜能性、诱导中胚层和内胚层的发育、身体发育前后体轴位置和肿瘤发生过程中具有重要调控功能。Nodal通过激活下游SMAD家族蛋白磷酸化后上调应答基因的表达，这些基因中包括Lefty，而Lefty的主要功能是拮抗Nodal，这样就形成了一种负反馈调节。

总之，这是一篇重量级的有关TET参与早期胚胎发育调控研究的扛鼎之作，明确的阐明了TET家族蛋白在早期胚胎发育中的重要功能，这项工作势必会引起国内外同行的广泛关注。

TET3敲后影响小鼠原肠胚的形成

RNA原位杂交实验表明Nodal和Lefty在敲除胚胎中的表达的变化

甲基化测序结果显示Lefty1基因的启动子和Lefty2基因的增强子区域在TET三敲的细胞中甲基化程度升高

在TET3敲的细胞中如果再引入敲除起始性DNA甲基化酶DNMT3A或者DNMT3B会一定程度上回复了Lefty和Nodal基因的表达情况

作用模型

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徐国良院士简介

徐国良院士1965年出身于浙江诸暨的一个普通农民家庭，16岁考入杭州大学（现并入浙江大学）生物系，本科毕业后考入中科院遗传所读硕士， 1989年至1993年在德国马普分子遗传学研究所获博士学位，博士毕业后继续留在原单位做了一年多的博后，随后又在新加坡国立大学做过短暂的一年左右的课题组组长，从1995年起到2001年在哥伦比亚大学T.H. Bestor（最早克隆DNA甲基转移酶DNMT1）实验室做博后，此后回国一直在中科院上海生化细胞所任研究员，2002年入选中科院“百人计划”并获得“国家杰出青年科学基金”资助，曾于2001年至2006年间担任中国科学院-马普学会青年科学家小组组长，曾担任科技部973专项首席科学家，2014年获得“陈嘉庚生命科学奖”，2015年当选为中国科学院院士。其主要研究方向为表现遗传调控及其与癌症等重大疾病的关系，近年主要从事动物发育（包括胚胎与成体干细胞分化）过程中DNA甲基化及组蛋白修饰在基因表达调控中的作用及其分子机理的研究。近年来，徐国良研究员发表了多篇高水平学术论文，归国15年来，在国内取得了比国外更好更有价值的研究成果。自2000年以来，他作为通讯作者在Nature（2011）、Science（2011, 2001）、Nature Genetics（2013）、Cell Stem Cell（2014a , 2014b , 2013)、 Cell（2012, 2005）、PNAS（2009）等期刊上发表了一系列重要研究成果。

徐国良老师博后期间的代表性工作是发现了DNMT1基因的突变导致了染色体的不稳定性和免疫缺陷症，这一工作发表在1999年的《Nature》上；2005年与当时还在北卡教堂山分校的张毅教授合作在《Cell》报道了人源组蛋白甲基转移酶DOT1L引起的H3K79甲基化水平的升高从而激活癌基因的表达导致白血病的发生；2009年在《PNAS》上报道了组蛋白H3的N端是起始性DNA甲基化发生所必须的；2011年与中科院生化细胞所李劲松研究员合作在《Cell》上报道了母源的TET3双加氧酶负责调控父源基因组DNA的去甲基化，从而进一步激活OCT4和Nanog等干性因子的表达；2011年在《Science》上报道，TET双加氧酶能够进一步将5mC氧化成5caC， 并发现糖苷酶TDG能够特异性地识别并切除DNA中的5caC， 进而启动碱基切除修复途径完成DNA去甲基化，从而提出了TET介导的氧化5caC的作用与碱基切除修复途径协同作用介导DNA主动去甲基化的机制，值得一提的是同一期《Science》 上也发表来自张毅教授课题组的类似工作，即TET可以进一步将5mC氧化成5fC和5caC，2011年的两项杰出的工作奠定了徐国良研究员课题组在DNA去甲基化领域的学术地位，受到了国内外同行的广泛好评，此后该课题组的研究方向基本上都是围绕TET蛋白展开的；2012年与李劲松研究员课题组合作在《Cell》报道了他们首次建立孤雄囊胚的单倍体胚胎干细胞；2013年与中科院广州健康所裴端卿研究员合作在《Nature Genetics》报道维生素C能通过调控TET1的功能影响体细胞的重编程；2013年与Yanhong Shi和Chunming Ding合作在《Cell Stem Cell》报道TET1在调控小鼠海马和记忆认知中的作用；2014年在《Cell Stem Cell》连续发表2篇文章，其中一项研究报道了TET和TDG介导的DNA去甲基化功能在体细胞重编程过程中对MET转换调控作用，另一项工作与北大汤富酬教授和李劲松研究员合作通过测序全基因组测序方法分析了哺乳动物受精卵中雌原核和雄原核的主动和被动去甲基化过程；2015年在《Nucleic Acid Research》上报道了Gadd45a通过调节TDG进而促进DNA去甲基化；2016年在《Nature》上系统分析了TET家族蛋白在小鼠胚胎发育过程中的功能……

（致谢：感谢贾小方博士在该文撰写过程中提供的部分文字内容！）

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