Nature：重编程的秘诀，让细胞失忆

　　

生物通报道  人们总是说，我们无法逃避我们的过去——无论发生多大的改变，我们仍然保有过去的记忆；我们的细胞也是如此。成体细胞如皮肤细胞或血细胞，都具有细胞“记忆”——记录着细胞从未定型的胚胎干细胞发育为特化成体细胞过程中所发生的改变。

现在，来自麻省总医院(MGH)哈佛干细胞研究所的研究人员与来自奥地利分子生物技术研究所(IMBA)和分子病理学(IMP)研究所的科学家合作鉴别出了一些基因，当它们受到抑制时可有效地消除细胞的记忆，使得细胞更容易重编程，由此能够更快、更有效地实现重编程过程。这项研究发布在12月9日的《自然》（Nature）杂志上。

麻省总医院哈佛干细胞研究所核心成员、哈佛大学干细胞和再生生物学系Konrad Hochedlinger博士，与奥地利分子病理学研究所的Johannes Zuber是这篇论文的共同资深作者。Hochedlinger是世界级的细胞重编程专家，国际干细胞界最耀眼的新星，他在2009年被国际干细胞学会评为年度杰出年轻科学家。

Hochedlinger在iPS这一新兴领域做出了一系列重要的贡献，如优化得到iPS的方法（减少重编程因子，使用非整合载体）；阐明p53在重编程中的重要作用；发现iPS细胞中印迹基因异常沉默跟其发育潜能的关系；与George Daely的实验室同时揭示来源细胞影响得到的iPS细胞的特性，提出表观遗传记忆的概念等。

Hochedlinger说：“我们之所以开展这项研究工作，是因为我们想知道为什么皮肤细胞会是皮肤细胞，为什么它不会在第二天，或下个月，或一年后改变它的身份？”

Hochedlinger解释说，人体内每个细胞都有相同的基因组（DNA蓝图），在发育过程中这些基因的开启和关闭方式决定了每个细胞将变为何种类型的成体细胞。通过操控这些基因并导入新因子，科学家们可以开启成体细胞基因组中沉默的部分，将它重编程为另一种细胞类型（延伸阅读：北大邓宏魁教授Cell发布细胞重编程研究重大成果 ）。

奥地利分子生物技术研究所的Josef Penninger说：“然而，皮肤细胞知道它是个皮肤细胞，甚至是在科学家们将这些皮肤细胞重编程为诱导多能干细胞(iPS细胞)之后——这一过程从概念上要求细胞在取得新身份之前‘忘记’它自己的身份。”

为了鉴别出潜在的因子，该研究小组建立了以一些已知染色质调控因子为目标的基因文库——这些基因控制了DNA的包装和标记，参与构建了细胞记忆。

Hochedlinger和论文的共同第一作者、他实验室的博士后Sihem Cheloufi一起，设计了一种筛查方法测试每一个因子。

在所筛查的615个因子中，研究人员确定了4个染色质调控因子（其中3个以往从未有人描述过）是重编程的潜在障碍。相比于抑制过去已知的一些路障因子可将重编程效率提高3-4倍，抑制新描述的CAF1因子将这一过程的效率提高了50-200倍。并且，在没有CAF1的情况下，重编程更快速：通常这一过程需要9天，研究人员则在4天后就检测到了首批iPS细胞。

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论文共同第一作者、奥地利分子生物技术研究所的Ulrich Elling说：“CAF1复合物确保了在DNA复制和细胞分裂之时子细胞保留了它们的记忆，其编码在DNA缠绕的组蛋白上。当我们阻断CAF-1时，子细胞无法以相同的方式缠绕它们的DNA，丧失了这一信息，转变为白纸。在这种状态下，它们对来自外部的信号更加敏感，这意味着我们可以更容易操控它们。”

通过抑制CAF-1，研究人员能够经由一个叫做直接重编程（或转分化）的过程，跳过形成iPS细胞的中间步骤，将一种类型的成体细胞直接转变为另一种类型。因此，CAF-1看起来充当了细胞身份的一个守护者，耗尽CAF-1可促进一种成体细胞类型相互转变为另一种类型，及特化细胞转变为iPS细胞。

找到CAF-1，研究人员鉴别出了一个允许擦除和重写细胞记忆的复合体。“这些细胞忘记了自己是谁，这使得能够更容易地诱导它们变为其他的细胞类型，”Sihem Cheloufi说。

Zuber 解释说，CAF-1有可能为推动细胞“重编程”到疾病建模及测试治疗药物提供了一把通用钥匙。“最好的情况就是，获得这一见解，我们手中就握住了一个万能钥匙，将允许我们任意地模拟细胞。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

The histone chaperone CAF-1 safeguards somatic cell identity

Cellular differentiation involves profound remodelling of chromatic landscapes, yet the mechanisms by which somatic cell identity is subsequently maintained remain incompletely understood. To further elucidate regulatory pathways that safeguard the somatic state, we performed two comprehensive RNA interference (RNAi) screens targeting chromatin factors during transcription-factor-mediated reprogramming of mouse fibroblasts to induced pluripotent stem cells (iPS cells). Subunits of the chromatin assembly factor-1 (CAF-1) complex, including Chaf1a and Chaf1b, emerged as the most prominent hits from both screens, followed by modulators of lysine sumoylation and heterochromatin maintenance. Optimal modulation of both CAF-1 and transcription factor levels increased reprogramming efficiency by several orders of magnitude and facilitated iPS cell formation in as little as 4 days. Mechanistically, CAF-1 suppression led to a more accessible chromatin structure at enhancer elements early during reprogramming. These changes were accompanied by a decrease in somatic heterochromatin domains, increased binding of Sox2 to pluripotency-specific targets and activation of associated genes. Notably, suppression of CAF-1 also enhanced the direct conversion of B cells into macrophages and fibroblasts into neurons. Together, our findings reveal the histone chaperone CAF-1 to be a novel regulator of somatic cell identity during transcription-factor-induced cell-fate transitions and provide a potential strategy to modulate cellular plasticity in a regenerative setting.