科研进展

同济大学高绍荣教授与美国西奈山医学院王建龙教授联合在《Cell Stem Cell》发表论文揭示DUX-miR-344-ZMYM2介导的MERVL激活在全能性样细胞产生过程中的作用

发布时间:2020-02-07  



26日,同济大学高绍荣教授课题组联合美国西奈山医学院(现哥伦比亚大学欧文医学中心)王建龙(Jianlong Wang)教授课题组在《Cell Stem Cell》杂志在线发表了题为“DUX-miR-344-ZMYM2-Mediated Activation of MERVL LTRs Induces a Totipotent 2C-like State” 的研究论文。揭示了DUX-miR-344-ZMYM2介导的MERVL激活在全能性样细胞产生过程中的作用。

小鼠胚胎干细胞(ESC)来源于囊胚时期的内细胞团,因其发育成胚胎所有三胚层细胞的能力而被视为多潜能性细胞,但其几乎不对胚胎外组织的形成有任何贡献。而全能性细胞,如一细胞合子(Zygote)及二细胞时期(2-Cell)的单个卵裂球,既能发育形成胚胎组织,又可以发育成胚胎外组织。体外培养的小鼠胚胎干细胞中,有极小部分(1%-5%)细胞具有扩展的多能性,即这类细胞既可以向胚胎组织分化(嵌合入小鼠组织器官),也具有向胚外组织分化的潜能(嵌合入胎盘)。此类细胞也被称为2C样细胞(2CLC, 2-Cell like cell)。前期的研究发现,2CLC中存在高水平的MERVL转录。此外,包括Zscan4基因家族在内的大量二细胞特异性基因,也被显著地激活。然而,目前对2C状态调节的理解在很大程度上,聚焦于鉴定和表征ESC富集的编码或非编码分子,这些分子将ESC的细胞命运潜能限制为多能性状态,而非将其激活为2C状态。 例如,先前的研究已经揭示了许多限制小鼠ESC中的2C状态的关键因子,包括LSD1, CAF-1KAP1G9AmiR-34aPRC1.6EP400-TIP60复合物和PIAS4 SUMO E3连接酶等。与之相反的是,Dux是第一个被鉴定为在ESC中,可正向调节并激活2C状态的转录因子。但是,Dux下游如何调节2C状态的详细分子事件还未被阐述。

在本项研究中,研究人员构建了Zscan4-GFP;2C::tdTomato双报告系统来标记2CLC细胞系。通过对2CLC双阳性(DR+/+)细胞中的核小体全局分布及基因表达分析,确立了非编码RNA miR-3442CLC形成中的正向调节作用。为进一步进行分子机制研究,研究人员利用CRISPR-dCas9系统,构建了MERVLmiR-344分别激活的细胞系,结合测序分析及体内嵌合体实验,证明了2C的开放染色质使转录因子(如Dux)更容易激活miR-344,而miR-344又通过多层级参与激活了MERVL。首先,miR-344经转录后抑制ZMYM2LSD1,而ZMYM2的去除导致LSD1MERVL2C特异性基因上的结合丢失。其次,LSD1可以作为赖氨酸特异性去甲基酶使H3K4me1H3K4me2发生去甲基化,造成转录失活。因此,miR-344LSD1的转录后抑制,导致MERVL2C特异性基因的激活。 第三,Dux还可以直接激活MERVL和相关的2C基因的表达。与DUX过表达一致的是,在早期胚胎发育中siZmym2的注射可造成部分卵裂球的发育阻滞,此类胚胎的免疫染色显示ZSCAN4MERVL在囊胚阶段的异常激活。最后,ZMYM2可以直接结合并抑制Gata2Gata2是一种在激活MERVL/MT22C基因过程中发挥作用的关键转录因子。因此,我们的研究确立了miR-3442CLC扩展多能性和植入前发育的第一个非编码正向调控因子,通过DUX→miR-344-|Zmym2/Lsd1-|MERVL通路来调控2CLC的全能性,增加了全能性分子控制及其向多能性转变研究的丰富性。

美国西奈山医学院王建龙课题组杨藩博士,黄欣博士,以及同济大学高绍荣教授课题组博士研究生臧茹歌,为本文的共同第一作者。同济大学生命科学与技术学院陈嘉瑜副教授也参与该研究。高绍荣教授与王建龙教授为本文的共同通讯作者。该研究得到了科技部、基金委和中国留学基金委的项目支持。


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