MBD3调节干细胞多能性和重编程机制的研究进展

MBD3(methyl CpG binding domain 3)是甲基CpG结合域蛋白家族的成员之一,也是NuRD(nucleosome remodeling and deacetylase complex)的核心亚单位之一。MBD3蛋白可以结合非甲基化DNA,通过MBD蛋白结构域或与NuRD结合发挥作用。MBD3通过参与调节染色质结构和激活转录过程,调节胚胎干细胞的多能性和谱系分化,对于胚胎发育和分化十分关键。MBD3在体细胞和神经干细胞重编程中也发挥着重要作用。此外,在缺氧环境下MBD3还能影响细胞代谢调控。该文围绕MBD3诱导DNA去甲基化、调节染色质结构、调控转录、调节胚胎干细胞的多能性和谱系分化、在重编程中的作用以及缺氧环境中的对细胞代谢的影响等展开论述,以期为多能干细胞的表观遗传研究及重编程技术的优化提供参考。     

干细胞中的DNA甲基化

DNA甲基化是表观遗传机制中一种重要的调控方式,它通过调控基因的表达影响一系列的生物学过程。干细胞作为具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体,其分化和再生过程必然受到精确的表观调控。DNA甲基化在干细胞的维持、分化调控等方面都发挥着重要作用。现对胚胎干细胞、多能干细胞以及成体干细胞中DNA甲基化及羟甲基化的最新研究进展进行简要综述,回顾并展望DNA甲基化在干细胞中的潜在生物学功能及调控机制,同时为未来在临床诊断治疗及药物研发等方面提供一定的参考。     

Uhrf1对肠上皮发育的影响

作为一种常见的表观遗传修饰类型,DNA甲基化对哺乳动物发育起着重要作用。Uhrf1作为重要的表观遗传调控因子,在DNA合成过程中可结合半甲基化的DNA同时招募DNA甲基转移酶1参与DNA甲基化的维持,保证遗传信息在细胞分裂前后的稳定传递。目前关于Uhrf1介导的DNA甲基化是否影响肠上皮发育过程尚不清楚。为探索Uhrf1在肠上皮发育中的作用,本研究成功构建了肠上皮特异性敲除Uhrf1的小鼠模型,利用HE染色对肠上皮组织形态学观察发现,与正常小鼠相比,敲除Uhrf1的小鼠肠上皮发育异常,主要表现为绒毛变短,数量减少,隐窝萎缩;通过表型分析发现,在小鼠肠上皮中特异性敲除Uhrf1后,细胞增殖明显受到抑制、凋亡细胞增加、细胞分化异常,同时肠干细胞相关基因表达降低。进一步对可能的分子机制进行初步探索发现Uhrf1缺失后DNA甲基化水平大幅下降,诱发DNA损伤。本研究结果表明Uhrf1介导的DNA甲基化对肠上皮的正常发育成熟具有重要作用,有望丰富Uhrf1介导的DNA甲基化在体内的生物学功能,并为进一步明确Uhrf1介导的表观遗传调控机制提供实验依据。     

Helq对干细胞多能性影响的研究

目的探讨Helq缺失是否影响干细胞的多能性。方法利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得Helq敲除的胚胎干细胞。结果免疫荧光染色结果显示敲除Helq后,Oct4及Nanog的表达与对照组相比无明显差异,通过四倍体补偿实验证明胚胎干细胞的多能性不受影响。同时我们利用Helq敲除的胚胎干细胞继续进行体外分化,最终可以得到Day2的上胚层样细胞。通过免疫染色及real-time PCR分析,结果表明Helq敲除的胚胎干细胞分化为上胚层细胞液无明显异常。结论 Helq缺失不影响多能性干细胞的多能性。     

原始生殖细胞发生的机制

生殖细胞的发生是发育和遗传的基础。在几乎所有哺乳动物中,原始生殖细胞（primordial germ cell,PGC）均由近端上胚层体细胞在周边细胞特定的信号诱导下特化而成。目前的研究已经发现一些与生殖细胞特化有关的信号分子和关键转录调控元件,以及特化后生殖细胞获得的与体细胞不同的生物特性。生殖细胞的特化是一个结合了体细胞发育程序的抑制、细胞多能性程序的启动和全基因组表观遗传重编程三个方面的动态的复杂过程。多能性干细胞（胚胎干细胞或诱导型多能干细胞）具有发育全能性,能分化为机体任何一种细胞类型,包括生殖细胞。利用多能性干细胞体外分化形成生殖细胞有助于深入系统地研究配子发生的调控机制,为干细胞在不育症治疗方面的应用带来新希望。     

原始生殖细胞发生的机制

生殖细胞的发生是发育和遗传的基础。在几乎所有哺乳动物中,原始生殖细胞(primordial germ cell,PGC)均由近端上胚层体细胞在周边细胞特定的信号诱导下特化而成。目前的研究已经发现一些与生殖细胞特化有关的信号分子和关键转录调控元件,以及特化后生殖细胞获得的与体细胞不同的生物特性。生殖细胞的特化是一个结合了体细胞发育程序的抑制、细胞多能性程序的启动和全基因组表观遗传重编程三个方面的动态的复杂过程。多能性干细胞(胚胎干细胞或诱导型多能干细胞)具有发育全能性,能分化为机体任何一种细胞类型,包括生殖细胞。利用多能性干细胞体外分化形成生殖细胞有助于深入系统地研究配子发生的调控机制,为干细胞在不育症治疗方面的应用带来新希望。     

胚胎干细胞向造血细胞分化研究

胚胎干（embryonic stem,ES）细胞是来源于囊胚的内细胞团（inner cell mass,ICM）,具有发育的全能性或多能性,能嵌合到早期胚胎,在体内可以参与各种组织发育甚至包括生殖细胞;在体外分化培养条件下,可以顺序分化出各种组织细胞,与体内完整胚胎发育过程相符合,而且可以通过调节ES细胞某些基因的表达而调节其分化。因此,ES细胞是研究哺乳动物早期胚胎发育、细胞分化及其关键基因鉴定的理想模型。另外,胚胎生殖脊（embryonic germ,EG）细胞系也具有同样的生物学特性,它是由早期胚胎的原始生殖脊（primordial germ,PG）细胞建株而来。最近研究显示：ES细胞在体外不但可以分化为所有造血细胞系,而且还可以分化为具有长期增殖能力的造血干细胞。作者就胚胎干细胞向造血细胞和造血干细胞分化及其诱导因子和调控基因的表达作一综述。     

FEZF 1在人胚胎干细胞早期神经分化过程中的作用研究

研究模型的缺乏和人源细胞的伦理问题极大地限制了人早期神经发育机制的研究.人胚胎干细胞具有体外无限增殖和分化为人体内各种细胞的能力,为研究人神经发育提供了重要的工具.本研究利用化学成分确定的神经诱导体系和高通量筛选策略,发现Fez锌指家族1(FEZF1)在人胚胎干细胞神经分化过程中快速表达,且先于人神经前体细胞标志基因PAX6的表达,提示FEZF1是人早期神经发育中的重要调控因子.随后利用CRISPR/CAS9技术构建了FEZF1敲除的人胚胎干细胞株,发现敲除FEZF1阻碍了人胚胎干细胞的神经分化进程.此外,FEZF1敲除抑制了人胚胎干细胞神经分化过程中多能性的丢失,部分揭示了FEZF1缺失引起神经发育缺陷的机制.然而,单独过表达FEZF1并不能驱动人胚胎干细胞的神经分化,表明FEZF1是神经分化的必需调控因子,却不足以启始人胚胎干细胞的神经分化.总之,本研究发现了FEZF1是人早期神经分化的重要调控因子,为理解人神经发育奠定了理论基础.     

Tet2调节骨髓间充质干细胞功能

Tet2(Tet家族成员2)在DNA去甲基化修饰、表观遗传调控及骨髓造血中起着重要作用。笔者课题组前期研究发现,随着年龄增长,Tet2敲除小鼠逐步发展为淋系白血病和髓系白血病。但Tet2在骨髓微环境中的作用仍不清楚。进一步研究发现,Tet2敲除的骨髓间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSC)更多处于G2/M分裂期,其细胞分裂时间缩短,生长速度加快。长周期培养-起始细胞实验表明,Tet2敲除的MSC支持造血干细胞扩增和髓系分化的能力增强。通过点杂交实验发现,Tet2敲除后,骨髓细胞DNA总甲基化水平升高。对Tet2缺失的骨髓细胞进行甲基化测序,结果表明:基因组转录调控区域等多个功能性结构域的甲基化水平明显升高。同时,敲除Tet2的MSC分泌IL-8、IL-18等炎性细胞因子的能力下降;敲除Tet2的MSC更多分泌促进造血干细胞髓系分化的GM-CSF和CCL-3等细胞因子。Tet2可以影响间充质干细胞造血支持作用,进而调节造血。     

表观遗传修饰与干细胞分化调控

干细胞具有自我更新和多种分化潜能的特性。干细胞向分化细胞的转变涉及到基因表达模式的改变,与自我更新有关的基因关闭．与细胞特化有关的基因激活。表观遗传调控机制,包括DNA甲基化、组蛋白修饰和微RNA（microRNA）介导的基因调控,在多个层面上控制发育过程中基因表达。近年研究表明,动态的表观遗传调控机制在干细胞自我更新和分化中起关键作用。     

胚胎干细胞分化过程中的表观遗传调控

作为一类既有自我更新能力,并具有多向分化潜能的细胞,胚胎干细胞具有非常重要的理论研究意义和临床应用前景。近期以胚胎干细胞为模型,研究有关干细胞分化的表观遗传调控已成为新的研究热点。本文就胚胎干细胞分化过程中DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控以及与胚胎干细胞分化密切相关的表观遗传学动态变化做一概述,对表观遗传学改变与胚胎干细胞分化关系的基础研究进行探讨。     

DNA甲基化与脊椎动物胚胎发育

DNA甲基化是指DNA甲基转移酶(DNMT)将DNA序列中的5′胞嘧啶转变为5′甲基胞嘧啶的化学修饰, 可以调控基因的时空特异性表达, 从而影响细胞命运决定和分化等生物学过程。近年来研究发现, DNA甲基化在脊椎动物胚胎早期发育中有重要作用, Dnmt基因的缺失会影响胚胎早期发育和多个器官的形成及分化, 如胚胎早期致死、内脏器官和神经系统终末分化缺陷以及血液发生紊乱等。文章总结了DNA甲基化转移酶在小鼠和斑马鱼发育过程中的动态变化, 并系统阐述了DNA甲基化在胚胎早期发育和器官发生中的作用, 重点揭示DNA 甲基化转移酶与组蛋白甲基化转移酶如何协同调控DNA甲基化从而影响基因转录的分子机理。DNA甲基化作为一种关键的表观遗传学因素, 全面系统地理解其在胚胎发育过程中的作用机制对靶向治疗人类相关疾病有一定的理论指导意义。     

人胚胎干细胞Na?ve多能性状态建立的研究进展

胚胎干细胞在体外具有无限的自我更新和多向分化的潜能,因而具有重要的社会和经济价值。但是关于已建系的人胚胎干细胞是否处在Na?ve多能性状态至今仍有争议。Na?ve多能性状态的人胚胎干细胞建立是体外研究人类早期发育以及评估人胚胎干细胞安全应用的基础。目前很多研究报告了Na?ve人胚胎干细胞构建的方法,已成为当前再生领域研究的热点方向之一。本文将对这些进展作一综述,不仅将有助于人们扩大对人胚胎干细胞多能性调控的理解,也将有利于其未来更加安全有效地应用于临床。     

胚胎干细胞体外分化为造血干细胞

造血干细胞移植已成为治疗白血病、再生障碍性贫血、重症免疫缺陷征、地中海贫血、急性放射病、某些恶性实体瘤和淋巴瘤等造血及免疫系统功能障碍性疾病的成熟技术和重要手段,另外这一技术还被尝试用于治疗艾滋病,已取得积极的效果。但是由于移植需要配型相同的供体,并且过程复杂,使得造血干细胞移植因缺少配型相同的供体来源以及费用昂贵而不能被广泛应用。胚胎干细胞是一种能够在体外保持未分化状态并且能进行无限增殖的细胞,在适合条件下能够分化为体内各种类型的细胞,研究胚胎干细胞分化为造血干细胞,不仅可作为研究动物的早期造血发生的模型,而且可以增加造血干细胞的来源,还可以通过基因剔除、治疗性克隆等方法来解决移植排斥的问题,从而为造血干细胞移植的发展扫除了障碍,因此有着重要的研究价值和应用前景。现对胚胎干细胞体外分化为造血干细胞的诱导方法,诱导过程中的调控机制,并对胚胎干细胞分化为造血干细胞的存在问题和发展前景进行讨论。     

哺乳动物原始生殖细胞体内特化和体外培养

原始生殖细胞(primordial germ cells, PGCs)是胚胎中最先出现的生殖细胞。PGCs来源于上胚层,最早出现在后肠,随后向生殖嵴迁移。这一过程伴随一系列复杂的分子调控机制,以及DNA甲基化重编程和组蛋白修饰等表观遗传过程。PGCs经过不断的分裂、发育及分化,最终形成配子。为了更好地研究PGCs发育与分化的调控和表观遗传过程,体外培养的研究变得越来越重要。本文以小鼠和人为例,介绍了哺乳动物PGCs的特化过程、PGCs特化过程中的表观遗传过程和PGCs的体外培养研究进展。     

MicroRNA对胚胎干细胞的多能性网络调控

胚胎干细胞(Embryonic stem cells, ESCs)是一类能够无限增殖和诱导分化为多种类型细胞的干细胞。MicroRNA(miRNA)是一类内源性具有调控基因表达功能的非编码RNA, 在ESCs增殖和分化过程中起重要作用。MiRNA可以通过对ESCs多能性网络中的转录因子、细胞周期、表观遗传学、信号转导等方面调控, 促使ESCs维持多能性状态。文章重点综述了miRNA的生成过程、调控ESCs多能性的主要miRNA家族以及miRNA对ESCs多能性网络调控作用等内容。     

哺乳动物早期胚胎发育及干细胞分化过程中的表观遗传调控研究

哺乳动物早期发育过程伴随着细胞的增殖、迁移以及细胞命运的层级特化。体外干细胞系在合适刺激下的定向分化可以部分模拟早期胚胎发育及细胞命运决定的历程。在细胞命运层级特化过程中,细胞通过多重调控机制协调全能性相关基因的维持及关闭、特定谱系关键基因的时空特异性表达,表观遗传调控在该过程中发挥着十分重要的作用。开展针对体内胚胎发育及体外干细胞定向分化过程中细胞命运决定表观调控机制的研究,将推动对发育生物学基本科学问题的认识,同时也将进一步推动再生医学的发展,最终服务于国家人口健康发展战略。     

组蛋白赖氨酸甲基化:转录调控的重要机制

组蛋白赖氨酸甲基化是表观遗传调控的重要机制之一。组蛋白H3的K4、K9、K27、K36、K79和H4的K20均可被特定的赖氨酸甲基转移酶甲基化。人类、果蝇、酿酒酵母和裂殖酵母中已鉴定出多种赖氨酸甲基转移酶,并作了生化和遗传学研究,以确定其潜在的生物功能。H3K4、H3K36和H3K79甲基化参与基因转录激活,而H3K9、H3K27和H4K20的甲基化则抑制基因转录。此外X染色体失活也与特定赖氨酸的甲基化相关。组蛋白各位点赖氨酸的甲基化参与生长、发育和病变。最后,文章评述了"组蛋白密码"假说,指出了目前的研究方向,并探讨了表观遗传机制与获得性遗传的关系。     

诱导重编程的表观遗传调控研究进展

表观遗传调控是细胞命运变化与决定的重要基础之一。2006年,日本科学家山中伸弥发现通过4个转录因子Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc可以将已经分化的体细胞逆转回与胚胎干细胞相似的多能性状态,获得诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,i PSCs)。这种诱导重编程技术不仅是干细胞技术的一大突破,也提供了关键的体外模型用于研究细胞重编程的表观遗传机制。对该机制的深入理解将推动人类自由操纵细胞命运的进程,从而有望治疗各种因功能细胞、组织、器官缺失退化引发的疾病。从诱导重编程的表观遗传调控方向的研究进展出发,阐述通过诱导重编程发现的关键细胞命运转变表观调控机制,展望未来的主要研究目标。     

红细胞生成的转录调节多因子的协调作用

红细胞由造血干细胞分化而成,此过程包含复杂转录因子的相互作用,这些转录因子调节下游基因的表达并介导分化与增生信号,红细胞谱系的多能干细胞的定型诱导血细胞生成.主要综述了适应红细胞发育的广谱因子及特殊因子,这些因子单独操纵或部分参与转录、激活或表达.