Nature子刊解析干细胞的多能性机制

　　

生物通报道  来自耶路撒冷希伯来大学的科学家们在一项新研究中解析了胚胎干细胞的多能性，即它们可以无限自我更新，并分化为人体内所有成熟细胞类型的能力。解析这一问题是现代生物学的一个重大挑战，有可能加速实现胚胎干细胞在细胞治疗和再生医学中的应用。如果科学家们能够复制实现多能性的机制，他们就可能在实验室构建出能够植入人体的细胞，用于治疗以细胞死亡为特征的疾病，例如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和其他退行性疾病等。

为了阐明这些过程，希伯来大学Alexander Silberman生命科学研究所遗传学系Eran Meshorer实验室的研究人员结合分子、显微及基因组方法，侧重研究了胚胎干细胞特异性的表观遗传学信号。相关研究成果发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

表观遗传学机制的分子基础是染色质，它由细胞中的DNA和结构性以及调控性的蛋白质构成。在博士生Shai Melcer完成的创新性研究中检测了支持胚胎干细胞中一种“开放”染色质构象的机制。研究人员发现在胚胎干细胞中染色质并不是很凝聚，使得它们具有灵活地或“功能可塑性”转变为任何细胞类型。

一种独特的染色质结构蛋白化学修饰模式（可称作组蛋白乙酰化和甲基化）使得胚胎干细胞中的染色质构象更松散。在早期分化过程中，这种模式改变促使染色质变得紧密。

然而有趣的是，作者们发现一种核纤层蛋白lamin A也是这个秘密的一部分。在所有分化的细胞类型中，lamin A结合到了染色质的紧密区域，将它们锚定到细胞的核被膜。胚胎干细胞缺失Lamin A，这有可能实现了细胞核中更自由、更动态的染色质状态。作者们认为染色质可塑性就等同于功能可塑性，因为在所有活细胞中染色质均是由包括所有基因和所有蛋白质密码的DNA构成。了解这一调控染色质功能的机制将有助于未来实现对胚胎干细胞的智能操控。

Meshorer. 博士说：“如果我们能应用这一对于赋予胚胎干细胞可塑性机制的新认识，那么我们就可以增进或减少DNA结合蛋白质的动力学。由此提高或降低细胞的分化潜能。这有可能加速实现胚胎干细胞在细胞治疗和再生医学中的应用。通过实现在实验室中构建可植入人体的细胞，将其应用于治疗各种以细胞死亡为特征的疾病。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Histone modifications and lamin A regulate chromatin protein dynamics in early embryonic stem cell differentiation

Embryonic stem cells are characterized by unique epigenetic features including decondensed chromatin and hyperdynamic association of chromatin proteins with chromatin. Here we investigate the potential mechanisms that regulate chromatin plasticity in embryonic stem cells. Using epigenetic drugs and mutant embryonic stem cells lacking various chromatin proteins, we find that histone acetylation, G9a-mediated histone H3 lysine 9 (H3K9) methylation and lamin A expression, all affect chromatin protein dynamics. Histone acetylation controls, almost exclusively, euchromatin protein dynamics; lamin A expression regulates heterochromatin protein dynamics, and G9a regulates both euchromatin and heterochromatin protein dynamics. In contrast, we find that DNA methylation and nucleosome repeat length have little or no effect on chromatin-binding protein dynamics in embryonic stem cells. Altered chromatin dynamics associates with perturbed embryonic stem cell differentiation. Together, these data provide mechanistic insights into the epigenetic pathways that are responsible for chromatin plasticity in embryonic stem cells, and indicate that the genome's epigenetic state modulates chromatin plasticity and differentiation potential of embryonic stem cells.