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誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）重編程的過(guò)程涉及幾個(gè)關(guān)鍵事件，包括體細(xì)胞基因關(guān)閉、多能基因激活，間質(zhì)上皮轉(zhuǎn)化（mesenchymal–epithelial transition，MET），代謝重編程，和表觀遺傳重塑。盡管這些事件錯(cuò)綜復(fù)雜地相互作用并相互影響，但調(diào)節(jié)重編程網(wǎng)絡(luò)的具體因素尚不清楚。雙同源結(jié)構(gòu)域蛋白（Double homeobox，Dux）是一種已知在胚胎干細(xì)胞（Embryonic stem cell，ESC）向2C樣胚胎干細(xì)胞（2-cell like cells，2CLC）過(guò)渡過(guò)程中促進(jìn)全能性的因子，但在iPSC重編程的背景下尚未得到廣泛研究。組蛋白第18位賴氨酸乳酸化修飾（H3K18la）受到糖酵解代謝產(chǎn)物的影響，是一種轉(zhuǎn)錄激活型修飾，能夠在染色體水平上調(diào)控基因表達(dá)、影響細(xì)胞命運(yùn)，是連接遺傳信息和環(huán)境因素的橋梁。
2024年3月15日，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組胚教研室雷蕾教授課題組在Nucleic Acids Research 期刊上在線發(fā)表了題為“Dux activates metabolism-lactylation-MET network during early iPSC reprogramming with Brg1 as the histone lactylation reader”的研究論文【1】，在這項(xiàng)研究中證明了iPSC重編程過(guò)程中Dux-H3K18la-MET調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
Dux通過(guò)影響代謝產(chǎn)物和調(diào)控組蛋白修飾酶，影響H3K18la水平。此外，該研究對(duì)基于H3K18la免疫沉淀實(shí)驗(yàn)的蛋白質(zhì)組學(xué)分析揭示了重編程過(guò)程中Brg1的特異性招募，H3K18la和Brg1都富集在與多能性和上皮連接相關(guān)的基因啟動(dòng)子上。通過(guò)蛋白互作和分子對(duì)接證明其作為組蛋白乳酸化閱讀器的角色。該研究有助于進(jìn)一步理解完善組蛋白乳酸化修飾調(diào)控生物學(xué)過(guò)程的作用機(jī)制。
Dux在胚胎發(fā)育中的作用近年來(lái)受到了極大的關(guān)注，因?yàn)樗軌虼龠M(jìn)ESCs轉(zhuǎn)化為具有增強(qiáng)發(fā)育潛能的全能性干細(xì)胞。在小鼠胚胎發(fā)育過(guò)程中，Dux mRNA在早期2-細(xì)胞階段表現(xiàn)出特異性的高轉(zhuǎn)錄水平，這與合子基因組激活( ZGA )第一波的啟動(dòng)相吻合。雖然已經(jīng)證明Dux對(duì)于ZGA來(lái)說(shuō)并不是不可或缺的，但有證據(jù)表明它在2CLCs的轉(zhuǎn)變過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。2CLCs是ESCs的一個(gè)亞群，表現(xiàn)為小鼠2 -細(xì)胞胚胎特異性基因和重復(fù)序列的自發(fā)表達(dá)。與ESC相比，2CLCs具有更高水平的H3K27ac、H3K4me3、H3K4me1修飾。此外，與ESC相比，2CLCs具有更全面的多能性，因?yàn)樗鼈儾粌H對(duì)所有3個(gè)胚層都有貢獻(xiàn)，而且在嵌合體實(shí)驗(yàn)中也對(duì)滋養(yǎng)外胚層( TE )有貢獻(xiàn)。先前的報(bào)道表明，2CLCs的轉(zhuǎn)變是由Myc和Dnmt1的下調(diào)啟動(dòng)的，導(dǎo)致Dux表達(dá)增加。此外，2CLCs狀態(tài)的退出是由Smg7/Upf1對(duì)Dux mRNA的抑制啟動(dòng)的。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了Dux在全能性獲得中的重要作用。
此外，Dux對(duì)體細(xì)胞核移植( SCNT )重編程的推進(jìn)也有重要貢獻(xiàn)【2】。Dux通過(guò)提高H3K9ac和H3K27ac修飾來(lái)增強(qiáng)2 -細(xì)胞SCNT胚胎中ZGA基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致更高的植入前和植入后發(fā)育率。Dux蛋白的N端由兩個(gè)高度保守的相鄰DNA結(jié)合同源結(jié)構(gòu)域組成，而Dux的C端招募CBP/p300，有利于組蛋白H3乙?；姆e累。促進(jìn)組蛋白H3乙酰化在先前已經(jīng)被確立為提高iPSC重編程效率的一種手段。有研究表明，Duxbl促進(jìn)肌肉干細(xì)胞的MET，這是iPSC重編程早期的關(guān)鍵步驟。此外，已知促進(jìn)2CLC的其他特征基因也被發(fā)現(xiàn)通過(guò)促進(jìn)H3?；虼x重排來(lái)增強(qiáng)iPSC重編程。因此，作者提出假設(shè)，Dux可能在促進(jìn)iPSC重編程中發(fā)揮作用，尤其是在重編程的起始階段。iPSCs的建立需要將分化的體細(xì)胞重編程為多能性狀態(tài)。雖然Yamanaka因子具有重編程所有分化的體細(xì)胞的潛力，但重編程過(guò)程的順利完成需要以順序或同時(shí)的方式發(fā)生多個(gè)事件。因此，相當(dāng)一部分細(xì)胞不能完成重編程，而被困在重編程的初始階段，導(dǎo)致重編程效率降低。
傳統(tǒng)的iPSCs重編程過(guò)程包括在不同調(diào)控水平上運(yùn)行的各種關(guān)鍵事件。在染色質(zhì)水平，重編程早期與成纖維細(xì)胞相關(guān)的許多特定開放位點(diǎn)迅速關(guān)閉，而與多能性相關(guān)的許多位點(diǎn)在后期變得開放。在表觀遺傳水平上，存在整體基因組甲基化水平的降低，同時(shí)伴隨著組蛋白H3和H4乙?；降闹饾u升高。在轉(zhuǎn)錄水平上，在第1個(gè)轉(zhuǎn)錄波中，體細(xì)胞相關(guān)基因顯著減少，隨后在第2個(gè)轉(zhuǎn)錄波中，多能性相關(guān)基因顯著增加。在代謝水平上，初級(jí)供能途徑存在由體細(xì)胞普遍利用的氧化磷酸化( OXPHOS )向干細(xì)胞偏好的有氧糖酵解的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變被稱為OXPHOS到糖酵解轉(zhuǎn)變( OGS )。在形態(tài)學(xué)水平上，細(xì)胞經(jīng)歷MET過(guò)程，即從成纖維樣細(xì)胞向上皮樣細(xì)胞轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化伴隨著顯著的基因表達(dá)變化，特別是細(xì)胞粘附分子如Cdh1，也被稱為E - cadherin。因此，研究人員推測(cè)在重編程的初始階段存在一個(gè)基本的因素，它推動(dòng)干細(xì)胞相關(guān)過(guò)程向多能性的方向發(fā)展。
表觀遺傳調(diào)控包括多種重要機(jī)制，其中組蛋白翻譯后修飾( PTM )具有重要意義。具體來(lái)說(shuō)，組蛋白乙?；揎棻粡V泛研究，被認(rèn)為通過(guò)抵消賴氨酸側(cè)鏈上的正電荷或招募特定的閱讀器蛋白來(lái)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。除Dux外，學(xué)術(shù)界一致認(rèn)為代謝物具有影響組蛋白翻譯后修飾程度的能力。其中一種代謝產(chǎn)物是乳酸，它是糖酵解的主要產(chǎn)物。乳酸-CoA，可以作為組蛋白修飾的底物，從而調(diào)節(jié)DNA分子的可及性，進(jìn)而調(diào)節(jié)基因表達(dá)【3】。研究表明，H3K18la在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄元件的分布中起著至關(guān)重要的作用，特別是在組織特異性基因的增強(qiáng)子中。
許多公認(rèn)的組蛋白修飾酶，如p300，作為乳?；D(zhuǎn)移酶負(fù)責(zé)組蛋白乳酸化。當(dāng)存在經(jīng)典的HDAC1 - 3和SIRT1 - 3酶時(shí)，可以觀察到組蛋白賴氨酸乳酸化，特別是H3K18la和H4K5la減少，表明這些經(jīng)典的I型HDACs在體外可以作為賴氨酸乳糖化的有效"擦除器"。然而，對(duì)于乳糖化修飾的"讀者"的鑒定在文獻(xiàn)中仍未見(jiàn)報(bào)道。組蛋白乙?；腿ヒ阴；淖R(shí)別過(guò)程涉及3個(gè)主要結(jié)構(gòu)域：溴結(jié)構(gòu)域( BD )、雙PHD指( DPF )結(jié)構(gòu)域和YEATS結(jié)構(gòu)域。BD模塊以其保守性而聞名，與組蛋白上乙?；馁嚢彼釟埢Y(jié)合。鑒于溴結(jié)構(gòu)域同源蛋白之間結(jié)合的保守性，以及組蛋白乳酸化與組蛋白乙?；诮Y(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化上的相似性，有理由推測(cè)含有BD模塊的蛋白也可以作為組蛋白乳糖基化的"閱讀器"。
Dux通過(guò)代謝重塑促進(jìn)iPSCs重編程效率（圖源自Nucleic Acids Research ）
基于此，研究人員發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)表達(dá)Dux通過(guò)上調(diào)H3K18la水平導(dǎo)致iPSC重編程效率的增強(qiáng)。該研究在重編程的初始階段通過(guò)H3K18la建立了OGS、組蛋白乳酸化和MET之間的聯(lián)系，突出了H3K18la在成功重編程中的關(guān)鍵作用。具體來(lái)說(shuō)，Dux通過(guò)促進(jìn)OGS并利用其C端招募p300來(lái)促進(jìn)H3K18la水平的增加。隨后，Brg1與H3K18la相互作用，H3K18la富集在MET相關(guān)基因的啟動(dòng)子上，充當(dāng)乳酸化的閱讀器，以促進(jìn)重編程過(guò)程。
Dux通過(guò)代謝重塑促進(jìn)iPSCs重編程效率（圖源自Nucleic Acids Research ）
哈爾濱醫(yī)科大學(xué)雷蕾教授、吳嫣爽副教授，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院吳光明研究員為文章共同通訊作者，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)胡興琳、黃星衛(wèi)為文章共同第一作者。
參考文獻(xiàn)：
【1】Hu X, Huang X, Yang Y, Sun Y, Zhao Y, Zhang Z, Qiu D, Wu Y, Wu G, Lei L. Dux activates metabolism-lactylation-MET network during early iPSC reprogramming with Brg1 as the histone lactylation reader. Nucleic Acids Research, 2024,
【2】Huang X, Hu X, Jiang Q, Cao Q, Wu Y, Lei L. Functional study of distinct domains of Dux in improving mouse SCNT embryonic development dagger. Biol Reprod, 2021
【3】Zhang D, Tang Z, Huang H, Zhou G, Cui C, Weng Y, Liu W, Kim S, Lee S, Perez-Neut M, Ding J, Czyz D, Hu R, Ye Z, He M, Zheng YG, Shuman HA, Dai L, Ren B, Roeder RG, Becker L, Zhao Y.Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature, 2019