女院士《Nature》破解iPS瓶颈DNA去甲基化问题

斯坦福大学医学院微生物与免疫学系，干细胞生物与再生医学研究所，Baxter干细胞生物实验室的科学家在诱导多能干细胞(iPS)的研究上取得新的成果，相关研究文章Reprogramming towards pluripotency requires AID-dependent DNA demethylation发表在Nature在线版上。

　　

生物通报道，斯坦福大学医学院微生物与免疫学系，干细胞生物与再生医学研究所，Baxter干细胞生物实验室的科学家在iPS的研究上取得新的成果，相关研究文章Reprogramming towards pluripotency requires AID-dependent DNA demethylation发表在Nature在线版上。

 

文章通讯作者是资深的干细胞研究专家、美国科学院院士Helen M. Blau，多年来一直从事干细胞方面的研究，主要的研究兴趣在于干细胞分化过程的调控研究和细胞核基因重排研究。

 

将疾病患者体细胞重排为病人特异性的诱导多能干细胞是再生医学的一个新的创举。然而，诱导iPS细胞一直存在很多技术上的瓶颈问题，这些瓶颈问题包括：体细胞重排的不一致性，重排效率不高（＜0.1%），重排时间长（2-3周），DNA去甲基化的问题。

 

DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，大量研究表明，DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。在甲基转移酶的催化下，DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基，形成5－甲基胞嘧啶，这常见于基因的5'-CG-3'序列。大多数脊椎动物基因组DNA都有少量的甲基化胞嘧啶，主要集中在基因5＇端的非编码区，并成簇存在。甲基化位点可随DNA的复制而遗传，因为DNA复制后，甲基化酶可将新合成的未甲基化的位点进行甲基化。DNA的甲基化可引起基因的失活。

 

要让体细胞重新恢复到未分化的状态需要解决的一个问题就是DNA甲基化的问题，所以说DNA去甲基化问题成为诱导iPS的一个重要难题。

 

为了研究iPS诱导过程中的相关机制，Helen M. Blau院士领衔的研究小组构建了一个异核体细胞（融合了小鼠胚胎干细胞和人类成纤维细胞），这种异核体诱导的速度比正常的体细胞诱导速度快很多，仅需1天时间，诱导效率高达70%。

 

采用小分子RNA介导的基因敲除结果显示启动子去甲基化及OCT4 (亦称为POU5F1)的诱导、NANOG基因的表达必需依赖活化诱导的胞嘧啶核苷脱氨酶(AID, 亦称为AICDA)。在成纤维细胞中，AID蛋白结合到沉默的甲基化的OCT4和NANOG启动子上，但在胚胎干细胞中不会结合到活性去甲基化的启动子上。

 

这些实验数据再次表明，哺乳动物AID对于活性DNA去甲基化和启动人类体细胞的细胞核重编程进入多能态来说是必需的。

（生物通 小茜）

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Reprogramming towards pluripotency requires AID-dependent DNA demethylationnear-final version

Nidhi Bhutani1,2, Jennifer J. Brady1,2, Mara Damian1, Alessandra Sacco1, Stéphane Y. Corbel1 & Helen M. Blau1

 

Baxter Laboratory for Stem Cell Biology, Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, Department of Microbiology and Immunology, Stanford University School of Medicine, Stanford, California 94305-5175, USA

These authors contributed equally to this work.

Correspondence to: Helen M. Blau1 Correspondence and requests for materials should be addressed to H.B. (Email: [e-mail]).

 

【Abstract】

Reprogramming of somatic cell nuclei to yield induced pluripotent stem (iPS) cells makes possible derivation of patient-specific stem cells for regenerative medicine. However, iPS cell generation is asynchronous and slow (2–3 weeks), the frequency is low (<0.1%), and DNA demethylation constitutes a bottleneck. To determine regulatory mechanisms involved in reprogramming, we generated interspecies heterokaryons (fused mouse embryonic stem (ES) cells and human fibroblasts) that induce reprogramming synchronously, frequently and fast. Here we show that reprogramming towards pluripotency in single heterokaryons is initiated without cell division or DNA replication, rapidly (1 day) and efficiently (70%). Short interfering RNA (siRNA)-mediated knockdown showed that activation-induced cytidine deaminase (AID, also known as AICDA) is required for promoter demethylation and induction of OCT4 (also known as POU5F1) and NANOG gene expression. AID protein bound silent methylated OCT4 and NANOG promoters in fibroblasts, but not active demethylated promoters in ES cells. These data provide new evidence that mammalian AID is required for active DNA demethylation and initiation of nuclear reprogramming towards pluripotency in human somatic cells.