哺乳动物多能性干细胞中超级增强子的进化保守性与调控机制研究

一、引言干细胞具有自我更新和多向分化的潜能其命运决定受到精密且复杂的基因表达网络调控。传统的转录因子研究虽已揭示部分调控机制但对于如何实现关键基因的协同高表达这一核心问题尚缺乏系统性的解释。近年来随着染色质免疫沉淀测序等技术的进步一类名为“超级增强子”的基因组元件逐渐成为研究热点。超级增强子以其超长的尺寸、极高的转录共激活因子富集密度以及对细胞身份关键基因的强大驱动能力被视作细胞状态的主控开关。二、哺乳动物多能性相关超级增强子的进化保守性研究超级增强子Super-enhancer, SE被视为细胞命运决定、多能性维持及疾病发生的关键调控中枢。然而关于多能性相关超级增强子在哺乳动物中的进化规律尚不明确是否存在维持干细胞多能性的关键超级增强子仍有待揭示。2022年9月一项发表于《美国国家科学院院刊》PNAS的研究通过多组学技术对多个哺乳动物物种的超级增强子进行了系统比较。结果显示大多数超级增强子在哺乳动物演化过程中经历了快速变化同时研究鉴定了三个在胎盘哺乳动物中保守存在、且对维持干细胞多能性具有关键作用的超级增强子分别为SOX2、PIM1、FGFR1。该研究为理解哺乳动物多能性的调控机制提供了新的视角并为提升多能性干细胞建系效率、推动大动物多能性干细胞的应用奠定了重要基础。三、哺乳动物多能性调控中超级增强子的进化保守性与物种特异性大量研究表明哺乳动物共享相同的核心重编程因子如OCT4和SOX2。然而不同物种多能干细胞的维持依赖于明显差异的外部信号这种差异背后的遗传机制至今仍是一个关键的科学问题。顺式调节元件或增强子的进化变化被认为是决定物种多样性的重要来源。据此提出一个科学假设作为核心转录因子在基因组中的主要结合位点大量哺乳动物多能性相关的超级增强子经历了快速进化从而形成了多能性调控网络的物种特异性机制与此同时少数关键的超级增强子被保留下来以维持干细胞在哺乳动物中的基本多能性。为验证这一假设该研究在人、猪和小鼠的多能干细胞中开展了系统的表观基因组与转录因子多组学整合分析鉴定了三个物种中多能性相关的超级增强子并发现BRD4对于维持这些超级增强子的功能是必需的。分子系统发育分析结果显示尽管这些超级增强子能够募集相似的转录因子但其序列大多发生了快速进化。在此基础上研究首次鉴定出SOX2、PIM1、FGFR1等三个在胎盘哺乳动物基因组中高度保守的超级增强子。这些序列高度保守的超级增强子能够在多能干细胞中驱动下游报告基因的表达并在细胞分化或添加BRD4抑制剂后失活。利用CRISPR/Cas9技术破坏上述保守超级增强子后干细胞的多能性受到严重损害表明这些序列保守的超级增强子在胎盘哺乳动物多能干细胞的维持中发挥关键作用。而不同物种间多能性相关超级增强子的序列差异可能为解释干细胞多能性维持所需外部信号的物种特异性提供重要线索。该研究为进一步阐明哺乳动物多能性维持机制提供了重要基础。图1 哺乳动物多能性相关SEs的进化模型四、结论本研究通过对人、猪和小鼠多能干细胞的系统性多组学分析揭示了哺乳动物多能性相关超级增强子的进化保守性与物种特异性特征。研究结果表明尽管大多数多能性相关超级增强子在进化过程中发生了快速的序列分化形成了物种特异性的调控网络但仍有少数超级增强子如SOX2、PIM1、FGFR1在胎盘哺乳动物中高度保守并在维持干细胞多能性中发挥关键作用。这些保守超级增强子的功能依赖于BRD4的活性其完整性是多能性维持的必要条件。本研究不仅为理解哺乳动物多能性调控机制的进化基础提供了新的见解也为优化多能性干细胞诱导体系、推动大动物多能性干细胞的应用奠定了重要基础。