学术快报|郗乔然/吝易揭示PML核体招募TRIM33在小鼠胚胎干细胞中调控基因转录的新机制
转化生长因子β（transforming growth factor β, TGF-β）信号通路在组织稳态调节、免疫反应、肿瘤的发生和哺乳动物早期中内胚层分化中发挥着重要功能[1,2]。已有研究表明TRIM家族成员TRIM33是TGF-β信号通路中的关键成员，在小鼠胚胎干细胞向中内胚层分化过程中调控相关标志基因的转录[3]。在研究过程中发现TRIM33在小鼠胚胎干细胞及中内胚层分化状态下蛋白水平无显著差异，然而其在细胞内聚集状态及调控的基因截然不同。因此，在不同细胞状态下TRIM33发挥功能的机制仍然有待深入研究。
2022年12月16日清华大学生命科学学院郗乔然课题组及清华大学生命科学学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院吝易课题组在EMBO Journal杂志上在线发表题为Recruitment of TRIM33 to cell-context specific PML nuclear bodies regulates Nodal signaling in mESCs的研究论文，描述了小鼠胚胎干细胞中PML核体形成转录调控中心，招募TRIM33共同结合在靶基因Lefty1/2基因座上，从而发挥转录调控功能的新机制；在细胞中内胚层分化及氧化应激状态下，PML核体离开Lefty1/2基因座，TRIM33聚集体消失并且难以结合在Lefty1/2基因座，从而导致Lefty1/2基因转录水平下调。
作为TGF-β通路上重要的转录调控因子，已有研究证明在Nodal信号通路激活后，TRIM33能够识别H3K4-K9me3/H3K18ac 双修饰[4]。本研究首次发现TRIM33能够特异地在小鼠胚胎干细胞（mESC）核内形成具有流动性的液态聚集体，该结构与早幼粒细胞白血病核体(PML NBs)共定位。免疫共沉淀结果显示，与中内胚层分化的细胞相比mESCs中TRIM33与PML发生更强的相互作用，TRIM33聚集体形成依赖于PML NBs，且只能在特定细胞状态下被招募进入PML NBs中。
基因组学及转录组学分析表明TRIM33和PML共同调控mESCs中Nodal信号通路下游靶基因Lefty1/2的转录。在干细胞状态下，PML NBs能够形成转录调控中心，招募TRIM33及其他转录因子（例如SMAD2/3/4、OCT4等）共同定位于靶基因Lefty1/2基因座上，从而维持基因转录；而在拟胚体分化及氧化应激状态下，PML NBs离开了Lefty1/2基因座，使得这一转录调控中心解体，TRIM33也难以结合在Lefty1/2基因启动子区域，导致Lefty1/2基因转录水平显著降低。
最后，为证实PML NBs作为调控核心的动态变化，本研究构建了PML-TurboID邻近标记细胞系，结合蛋白质谱分析发现PML NBs的蛋白组成在不同细胞环境中有显著差异，其中TRIM33仅在干细胞特异的PML NBs中高度富集。因此，本研究揭示了PML NBs在mESCs形成的转录调控中心，能够帮助TRIM33形成聚集体并调控Lefty1/2基因转录，同时论证了PML NBs作为转录调控中心，以细胞环境依赖的方式招募不同蛋白组分的调节功能。
图1：PML NBs形成转录调控中心，能够调控一簇基因的转录，并招募TRIM33及其他转录因子结合在Lefty1/2基因座上，从而调控Lefty1/2基因的转录。
清华大学生命科学学院郗乔然副教授、吝易助理教授为本文共同通讯作者。清华大学2016级博士生孙宏瑶、2017级博士生陈昱彤为并列第一作者。清华大学生命科学学院张强锋实验室已毕业博士生邵燕秋帮助分析了Hi-C数据。清华大学生命学院郗乔然实验室已毕业博士生闫坤为本工作顺利开展作出重要贡献。
本研究同时感谢清华大学流式分选平台、清华大学质谱分析平台、清华大学影像平台的大力支持与帮助。本工作获得国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、清华-北大生命科学联合中心、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院的大力支持。
参考文献：
[1] Arnold SJ, Robertson EJ (2009) Making a commitment: cell lineage allocation and axis patterning in the early mouse embryo. Nat Rev Mol Cell Biol 10: 91-103
[2] David CJ, Massague J (2018) Contextual determinants of TGF-beta action in development, immunity and cancer. Nat Rev Mol Cell Biol 19: 419-435
[3] Xi Q, Wang Z, Zaromytidou A-I, Zhang Xiang HF, Chow-Tsang L-F, Liu Jing X, Kim H, Barlas A, Manova-Todorova K, Kaartinen V, Studer L, Mark W, Patel Dinshaw J, Massagué J (2011) A Poised Chromatin Platform for TGF-β Access to Master Regulators. Cell 147: 1511-1524
[4] Luo M, Bai J, Liu B, Yan P, Zuo F, Sun H, Sun Y, Xu X, Song Z, Yang Y, Massague J, Lan X, Lu Z, Chen YG, Deng H, Xie W, Xi Q (2019) H3K18ac Primes Mesendodermal Differentiation upon Nodal Signaling. Stem Cell Reports 13: 642-656
吝易
助理教授，清华大学生命学院
研究员，清华-IDG/麦戈文脑科学研究院
研究员，清华-北大生命联合中心
原文链接：
http://doi.org/10.15252/embj.2022112058
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