ETV 转录因子：调控人类多能干细胞分化的关键 “开关”

为探究细胞生物物理特性的转录调控机制，亚当?密茨凯维奇大学的研究人员开展 ETV 转录因子相关研究，发现其可调节 hPSC 的生物物理参数和谱系定向分化，该成果有助于改进体外细胞和组织工程策略。

　　在生命的奇妙旅程中，干细胞就像一群充满潜力的 “小魔法师”，它们能与周围环境进行密切的 “对话”，通过整合各种生化和生物物理信号来改变自身的行为，进而分化成不同类型的细胞，构建出复杂的人体组织和器官。然而，长久以来，调控细胞生物物理特性的转录网络却如同隐藏在迷雾中的神秘宝藏，让科学家们难以捉摸。

人类多能干细胞（hPSCs）作为干细胞家族中的重要成员，具有分化成多种细胞类型的能力，在再生医学和发育生物学研究领域备受瞩目。hPSCs 主要通过钙粘蛋白（cadherins）和整合素（integrins）这两种方式与周围环境 “互动”，分别介导细胞 - 细胞接触以及细胞与细胞外基质（ECM）的粘附。这些粘附作用不仅维持着细胞的形态，还在信号传递过程中发挥着关键作用，对 hPSCs 的自我更新和分化有着深远的影响。但是，到底是哪些转录机制在背后掌控着这一切呢？这成为了科学家们亟待解开的谜题。

为了揭开这个神秘的面纱，来自亚当?密茨凯维奇大学（Adam Mickiewicz University）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们以 hPSCs 为研究对象，借助类原肠胚（gastruloids）和胰腺分化这两种形态发生模型，深入探究 ETV 转录因子在细胞生物物理特性调控以及谱系定向分化过程中的重要作用。经过一系列严谨而深入的研究，他们取得了令人瞩目的成果：ETV1、ETV4 和 ETV5 转录因子是 hPSCs 和胰腺细胞机械信号传导的关键调节因子，对细胞的多谱系分化有着至关重要的影响。该研究成果发表在《Nature Communications》杂志上，为我们理解干细胞的分化机制提供了新的视角，也为体外细胞和组织工程策略的优化提供了重要的理论依据。

在研究过程中，研究人员运用了多种先进的技术方法。首先，他们利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，精准地敲除了 hPSCs 中的 ETV1、ETV4 和 ETV5 基因，从而构建出基因敲除的细胞模型，以此来观察基因缺失对细胞功能的影响。其次，单细胞 RNA 测序技术被用于分析细胞的转录组变化，帮助研究人员深入了解不同细胞群体的基因表达特征，进而揭示 ETV 基因缺失对细胞分化的影响机制。此外，研究人员还借助了类原肠胚模型和胰腺分化模型，在体外模拟胚胎发育和器官形成的过程，直观地观察细胞在不同环境下的分化和组织形成情况。

下面让我们详细了解一下这项研究的具体结果：

• ETV 基因敲除对 hPSCs 的影响：研究人员通过 CRISPR/Cas9 技术成功敲除 hPSCs 中的 ETV1、ETV4 和 ETV5 基因。结果发现，ETV 基因缺失会导致细胞 - 细胞和细胞 - ECM 粘附增强，使得细胞更容易聚集在一起，这一现象在不同的细胞培养条件和 ECM 底物上均有体现。进一步研究发现，ETV1 基因敲除会引起细胞粘附相关基因的上调，同时导致多能性和细胞信号相关基因的下调，这表明 ETV 基因在维持细胞的正常粘附和多能性方面发挥着重要作用。通过 ChIP - qPCR 验证，研究人员还确定了 ETV1 的直接靶基因，这些基因大多与细胞粘附和多能性调控相关，进一步证实了 ETV1 在细胞调控网络中的关键地位。此外，ETV1 基因敲除的 hPSCs 中，与 PI3K/AKT 信号通路相关的蛋白磷酸化水平发生了变化，这说明 ETV 基因可能通过 PI3K/AKT 信号通路来调节 hPSC 的粘附。研究人员通过实验证实，抑制 PI3K/AKT 信号通路能够挽救 ETV1 缺失导致的细胞粘附增强现象，这为深入理解 ETV 基因的调控机制提供了重要线索。
• ETV 基因对 hPSC 分化的影响：在模拟胚胎发育的类原肠胚实验中，研究人员发现 ETV1 基因敲除会导致所有胚层的径向组织完全紊乱，而 ETV1、ETV4 和 ETV5 三重敲除（tKO）则会使类原肠胚的结构发生显著改变，额外胚胎样细胞增多并向中心移动，外胚层几乎消失。这表明 ETV 基因在早期胚胎发育过程中，对胚层的正常形成和组织起着不可或缺的作用。在自发分化实验中，ETV1 基因敲除的 hPSCs 在分化 8 - 10 天后，细胞形态发生明显变化，并且与内胚层和中胚层相关的基因表达上调，这意味着其向中内胚层分化的倾向增加，而向外胚层分化的效率则降低。这进一步证明了 ETV 基因在 hPSC 分化命运决定中具有重要的调控作用。在胰腺分化研究中，研究人员发现 ETV1 基因敲除的 hPSCs 在向胰腺内分泌祖细胞分化的过程中存在明显缺陷，无法形成成熟的胰腺祖细胞，进而导致内分泌祖细胞形成减少。通过单细胞 RNA 测序分析，研究人员发现 ETV1 基因敲除会导致胰腺祖细胞的发育受阻，细胞频率发生变化，这表明 ETV1 在胰腺发育过程中对祖细胞的成熟和分化起着关键的调控作用。

研究人员在讨论部分指出，生物物理参数在细胞与周围环境的相互作用中起着至关重要的作用，而 ETV 基因正是调控这些参数的关键因素。ETV 基因的异常表达会导致 hPSCs 与周围环境的粘附出现异常，进而影响细胞的命运决定和分化轨迹。在胚胎发育的关键时期，如原肠胚形成阶段，细胞需要进行复杂的重排和迁移，以建立正确的拓扑定位和组织模式。此时，ETV 基因调控的细胞粘附变化会对初始细胞命运的决定产生重要影响，进而影响整个胚胎的发育进程。在胰腺发育过程中，ETV1 的作用比之前认为的更为重要，它在人类内分泌细胞形成的上游发挥作用，对胰腺祖细胞向内分泌祖细胞的转变起着关键的调控作用。这一发现为深入理解胰腺发育机制提供了新的视角。此外，研究还发现，ETV 基因的缺失会导致细胞对解离的抗性增加，这可能与细胞的迁移和上皮 - 间质转化（EMT）等行为的改变有关。这表明 ETV 基因不仅影响细胞的粘附，还可能通过调节细胞的其他行为来影响组织的发育和形成。

综上所述，这项研究揭示了 ETV 转录因子在调控 hPSC 生物物理特性和谱系分化方面的重要作用，为我们理解干细胞的分化机制提供了重要的理论依据。研究结果表明，通过调控细胞的生物物理特性，如细胞 - 细胞和细胞 - ECM 粘附等，可以影响细胞的命运决定，这为优化体外 hPSC 分化策略提供了新的思路。未来，研究人员可以进一步探索 ETV 基因的调控机制，以及如何利用这些发现来改进再生医学和胚胎发育研究中的相关技术，为解决人类健康问题带来新的希望。