Cell Biosci︱刘晶/裴端卿团队揭示cJUN启动小鼠胚胎干细胞分化表观机制

撰文︱林润霞

责编︱王思珍

编辑︱杨   婵

多种生理过程中都发生了细胞命运转变，包括发育、免疫、压力、代谢和肿瘤发生等[1-8]。多能性退出或者多能性干细胞-体细胞转变（pluripotent-somatic transition，PST）代表了早期胚胎发育的关键阶段，但体内研究PST的机制较为困难，目前主要通过体外干细胞分化模拟体内的发育过程，从而研究其机制。体外的PST模型的建立主要是通过改变胚胎干细胞的培养条件，如去除干细胞维持因子LIF[9-11]或者添加分化因子FGF2[12]，但是存在异质性高、不稳定的缺点限制了其进行机制研究。近年来，研究人员发现原癌基因JUN在干细胞中过表达能快速驱动胚胎干细胞分化[13]，因此，建立了高效、稳定的体外PST模型，对其进行深入机制研究发现相分离蛋白SS18可以通过其相分离能力微调染色质重塑复合物的比例从而影响JUN驱动的干细胞分化[14]。但BAF复合物在该PST过程中的具体作用机制并不清楚。

2022年6月16日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘晶课题组和西湖大学裴端卿课题组合作在Cell & Bioscience上发表了题为“H3K27ac mediated SS18/BAFs relocation regulates JUN induced pluripotent-somatic transition”的研究。该研究基于ATAC-seq发现JUN驱动干细胞分化的染色质可及性动态变化规律，并揭示了SS18/BAF复合物在调控染色质可及性的重要作用和组蛋白修饰H3K27ac在该过程中的变化和作用，为深入认识干细胞分化和早期胚胎发育提供了理论依据。

cJUN诱导表达8h后可以驱动90%以上的干细胞走向不可逆的分化，为研究干细胞分化提供了理想的模型。近年来，体细胞重编程中的工作提示细胞命运调控中染色质可及性发生了变化，包括体细胞相关位点的逐渐关闭和多能性相关位点的逐渐开放[15]，因此作者猜测在JUN驱动的干细胞分化过程中染色质可及性也发生了动态变化。为了探究具体的变化规律，作者收集了0h、4h、8h、12h的样品进行ATAC-seq测序（图1A），发现JUN诱导4h就可以打开超过3万多的位点，说明JUN驱动干细胞分化过程中染色质的动态变化非常迅速，且逐渐开放的位点数目多于逐渐关闭的位点数目（图1B, C），转录因子基序分析发现主要打开的是AP-1位点（图1D），而AP-1家族被报道对于体细胞重编程是不利的，是体细胞特异表达的转录因子[15]，这也与分化中细胞形态体细胞化一致[14]。以上结果表明在PST过程中，JUN驱动染色质的开放。

图1 PST过程中染色质可及性动态变化

（图源：Lin RX, et al., Cell & Bioscience, 2022）

最近，通过CRISPR/CAS9全基因组筛选技术，研究人员发现SS18/BAF复合物在其中发挥重要作用[14]，但其具体的作用机制还不清楚。为了进一步探究其潜在的机制，作者通过ChIP-seq发现SS18/BAF复合物的定位与染色质可及性变化高度一致，在PST过程中发生了变化，转录因子基序分析发现SS18/BAF复合物从多能性位点转移到AP-1位点（图2A-D），与JUN的基序分析高度一致，说明其定位受JUN过表达的调控。

图2 SS18/BAF从多能性位点重定位到体细胞位点

（图源：Lin RX, et al., Cell & Bioscience, 2022）

由于BAF复合物的功能是消耗ATP移动核小体重塑染色质[16]，因此作者推测其可能调控PST过程中的染色质可及性变化。为了验证这一猜想，作者通过敲降BAF复合物的核心亚基Brg1进行ATAC-seq检测，发现染色质的开放受到了阻碍，转录因子基序分析发现主要是AP-1相关转录因子（图3A, B），说明JUN驱动的AP-1位点的开放主要是由SS18/BAF复合物介导的。

图3 BAF复合物的缺失损害JUN驱动的PST

（图源：Lin RX, et al., Cell & Bioscience, 2022）

进一步，作者想知道SS18/BAF复合物在PST过程中的定位变化是如何发生的。免疫质谱实验没有发现SS18/BAF复合物与以JUN为中心的蛋白复合物存在直接的相互作用，说明其重定位可能不是由于以JUN为中心的蛋白复合物和SS18/BAF复合物的直接相互作用。BAF复合物主要定位在激活性的组蛋白修饰位点，如H3K27ac、H3K4me1/me3等[17]，作者通过多种组蛋白修饰的ChIP-seq，发现激活性的组蛋白修饰H3K27ac、H3K4me1/3、H3K9ac的确与SS18/BAF的定位高度相关，其中H3K27ac与SS18的共定位比例最高，而抑制性的组蛋白修饰则几乎不与SS18共定位（图4A-C）。综上说明在PST过程中激活性的组蛋白修饰也发生了显著的重定位。

图4 在PST过程中H3K27ac与SS18共定位

（图源：Lin RX, et al., Cell & Bioscience, 2022）

由于BAF复合物能够识别H3K27ac[18-21]，因此作者推测H3K27ac的识别可能部分介导了SS18/BAF的定位变化。通过抑制BAF复合物中的Bromodomain，抑制其对H3K27ac的识别，发现SS18的定位、PST过程中细胞形态和克隆形成率都受到了影响（图5A-E），说明SS18/BAF复合物的定位变化一定程度受到H3K27ac的影响，并且H3K27ac也参与调控JUN驱动的PST。

图5 在PST过程中H3K27ac介导了SS18的重定位

（图源：Lin RX, et al., Cell & Bioscience, 2022）

图6 JUN启动胚胎干细胞分化的表观遗传调控机制示意图

（图源：Lin RX, et al., Cell & Bioscience, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究发现在胚胎干细胞中，SS18/BAF和H3K27ac定位在开放的染色质位点，并与多能性转录因子共定位。JUN表达4h将H3K27ac带到AP-1位点，进而促进了SS18/BAF的重定位，从而导致体细胞位点的开放和体细胞基因的激活（图6）。该研究揭示了在细胞命运转变过程中转录因子、组蛋白修饰和表观遗传机器之间的简洁协作，而JUN诱导的PST模型可作为进一步研究细胞命运调控机制的有力工具。在JUN驱动的PST中，JUN的表达能够迅速带来H3K27ac修饰，但是H3K27ac是如何加上的并不清楚，因此鉴定出特异的H3K27ac的酶可能为指导干细胞分化提供新的思路。JUN诱导的干细胞分化是体外的模型，其能多大程度指导体内发育需要进一步的探索。JUN强有力的驱动干细胞分化能力是否具有物种普适性，如人、大鼠等胚胎干细胞是否能被JUN驱动分化进程，也值得后续进一步研究。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xpro.2022.101467

中国科学院广州生物医药与健康研究院刘晶研究员和西湖大学裴端卿研究员为该论文的共同通讯作者，广州健康院博士生林润霞、翟梓蔚和西湖大学博士后匡俊企为论文的共同第一作者。广州健康院张小飞研究员和李轶副研究员对该工作进行了重要的指导和支持。

本项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划，中国科学院“战略性先导科技专项”、中国科学院前沿科学重点研究项目、广东省科技计划项目、生物岛实验室前沿探索项目等的经费支持。

通讯作者刘晶（左），通讯作者裴端卿（右）

（照片提供自：刘晶实验室&裴端卿实验室）

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刘晶，中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员，国家重点研发计划项目首席科学家，国家“优青”，中国科学院杰出科技成就奖等。致力于诱导多能干细胞和干细胞多能性维持及转化等细胞命运调控的机理和应用研究。在Cell Stem Cell, Nature Cell Biology, Cell Research 等杂志上发表20余篇原创性研究论文。未来，课题组将引入化学、物理、数学等多学科的方法、技术和思想，全方位、多层次的研究干细胞多能性维持及细胞命运调控的机制，解密细胞命运调控的“生命密码”；同时面向干细胞未来应用，探索多能干细胞在细胞治疗、器官再生、疾病动物模型建立等领域的关键理论和技术。刘晶课题组长期招聘博士后详见：刘晶实验室招聘博士后----广州生物医药与健康研究院 （http://www.gibh.cas.cn/rczp/ypxx/202106/t20210608_6080755.htm）。

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本文完