Nat Neuro丨华人学者解析表观因子UTX在神经发育中的关键作用，或找到人鼠神经发育过程中关键的区别所在
撰文丨Neo
责编丨迦溆
UTX（ubiquitously transcribed tetratricopeptide repeat, X chromosome;又名KDM6A）是一种具有染色质调控功能的组蛋白去甲基化酶，并被证明在多种器官发育过程中所必需【1，2】。在动物和胚胎干细胞(ESC, embryotic stem cell)模型中，UTX被发现在从神经前体细胞到神经元的神经发育过程中扮演着重要角色，但是相关的分子机理还不是很清楚；肿瘤蛋白p53结合蛋白1（TP53BP1, tumor protein p53 binding protein1，下文称53BP1）是一种在DNA损伤修复中起调控作用的染色质连接蛋白【3】，但是其在具体人类疾病中的作用还有待进一步探索。
2019年2月4日，来自美国St.Jude儿童研究医院发育神经系的Jamy C.Peng 课题组在Nature Neuroscience上发表题为Differentiation of human pluripotent stem cells into neurons or cortical organoids requires transcriptional co-regulation by UTX and 53BP1的文章，证实了UTX可以通过和53BP1的直接连接，共同上调在神经发育中起关键作用的基因，从而促进人胚胎干细胞向神经元或皮层类器官发育的生物学功能。
研究人员首先通过质谱分析方法，从来源于人胚胎干细胞（human ESC, hESC）核提取物的与UTX免疫共沉淀的内源性蛋白中，鉴定出特异性结合蛋白53BP1。有趣的是，尽管人与鼠的UTX有97%的相似度，但是UTX与人源53BP1的连接强度要大于鼠源53BP1，故研究主要聚焦人胚胎干细胞。随后的ChIP-seq序列分析显示，UTX与53BP1均在启动子区域富集。单独敲除53BP1并不会影响hESC自身更新和分化。
在经典神经发育模型中，胚胎干细胞需要分化成神经前体细胞（human neural progenitor cells, hNPCs），然后再分化为神经元。研究人员通过对从hESC到hNPCs过程中的序列分析，发现UTX与53BP1能够结合多数在神经发育中上调的基因。
研究人员在随后的验证性实验发现，尽管53BP1敲除的hESCs和对照组一样分化为hNPCs，并表达早期分化标记OTX2（一种发育转录因子，orthodenticle homeobox 2），但是在对照组hNPCs分化到神经元的过程中，敲除细胞并没有表达神经细胞分化标记TBR1（一种在神经发育过程中起重要作用的转录因子）和MAP2(微管相关蛋白2，microtubule associated protein 2)，细胞没有增殖，也没有核皱缩和形成轴突。在三维类器官培养体系中，53BP1敲除细胞中与神经发育相关的基因出现显著下调，且出现发育障碍。
为了验证UTX与53BP1共同调控神经发育，研究人员对比了UTX敲除/53BP1敲除/对照组神经前体细胞的基因数据，发现其中下调的437个基因是UTX和53BP1两类敲除细胞中所共有的，而这些基因又与神经发育高度相关。通过CRISPR-Cas9系统，研究人员构建了突变细胞，影响UTX与53BP1的相互联系，并观察到由此引起的发育障碍和神经发育关键基因下调，从而证实了UTX与53BP1共同在神经发育中起到作用。
由于UTX可以调控H3K27me3和H3K27ac，同时在DNA损伤中，H3K79me2的组蛋白修饰与53BP1相关，作者对53BP1影响H3K79me2,H3K27me3和H3K27ac的基因分布进行了研究（下图）。研究人员发现53BP1可以影响与神经发育相关基因的H3K27me3/ac的状态，从而实现调控神经前体细胞增殖和分化的生物学功能。
综上所述，本研究发现53BP1是UTX的连接蛋白，UTX-53BP1共同调控人神经前体细胞的发育过程。需要特别指出的是，作者在研究中并没有发现破坏UTX-53BP1会影响鼠神经前体细胞的发育，提示这一蛋白对的调控作用可能是人鼠神经发育过程中一个关键的区别所在。在基因分析中，53BP1比UTX所调控的神经发育相关基因数目多得多（205vs77），那么是否存在其他蛋白参与53BP1的神经发育调节？UTX-53BP1具体调控的神经细胞亚群也需要在以后的工作中得到进一步确认。
值得一提的是，神经干细胞的过度增殖和分化异常已经被证明会引起小儿髓母细胞瘤和Kabuki综合症（一种基因源性的儿童认知障碍疾病）。在儿童神经瘤领域，St.Jude儿童研究医院依托与“世界卫生组织”和“美国国立肿瘤研究所”共建的研究平台，在发育神经系系主任Michael A. Dyer、细胞分子生物系系主任J. Paul Tayer（二人均为霍华德·休斯医学研究所研究员,HHMI）等一批知名学者领导下，取得了一系列重大科学突破。我们期待着更多关于神经发育尤其是与儿童肿瘤发生机理的原创发现！
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41593-018-0328-5
参考文献
1. Wang,C. et al. UTX regulates mesoderm differentiation of embryonic stem cells independent of H3K27 demethylase activity. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109,15324-15329(2012)
2. Welstead,G. G. et al. X-linked H3K27me3 demethylase Utx is required for embryonic development in a sex-specific manner. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109,13004-13009(2012)
3. Panier,S&Boulton,S.J. Double-strand break repair:53BP1 comes into focus.Nat.Rev.Mol.Cell.Biol.15,7-18(2014)
通讯作者简介
图片来源：https://www.stjude.org/directory/p/jamy-peng.html
Jamy C. Peng，美国St.Jude儿童研究医院助理研究员/田纳西大学健康科学中心助理教授，博士生导师。她在美国加州大学伯克利分校获得博士学位，后在斯坦福大学Joanna Wysocka实验室和耶鲁大学Haifan Lin实验室进行博士后训练，代表性工作以第一作者/共同一作身份发表在Cell, Nature Genetics, Nature Cell Biology等杂志。目前研究方向为决定神经细胞命运的分子调控机理和干细胞表观遗传学。
制稿人：子阳
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