個(gè)體發(fā)育是指受精卵經(jīng)過細(xì)胞分裂、組織和器官形成，最終發(fā)育成個(gè)體的過程。其中，干細(xì)胞持續(xù)的自我更新和多譜系分化是組織器官形成和個(gè)體發(fā)育的基礎(chǔ)。因此，干細(xì)胞命運(yùn)決定的機(jī)制解讀將有助于深入理解器官發(fā)生和個(gè)體發(fā)育的生物學(xué)過程。
細(xì)胞重編程是指在特定條件下將代表成體細(xì)胞“身份”的表觀遺傳記憶擦除，使之重新獲得多能干性的過程。經(jīng)重編程產(chǎn)生的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSC）在疾病的機(jī)制研究、藥物篩選和細(xì)胞移植治療等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
R-loop是一種特殊的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，由RNA:DNA雜合鏈和游離的單鏈DNA組成。R-loop在許多物種中保守存在，且參與調(diào)控染色質(zhì)修飾、DNA復(fù)制和基因表達(dá)等多種生物學(xué)過程。然而，R-loop在人類細(xì)胞命運(yùn)決定（包括干細(xì)胞分化和重編程）過程中的作用尚不明確。
北京時(shí)間2020年7月7日晚23時(shí)，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所劉光慧研究組和曲靜研究組、清華大學(xué)孫前文研究組、中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所張維綺研究組合作在Cell Reports雜志在線發(fā)表題為“Genome-wide R-loop landscapes during cell differentiation and reprogramming”的研究論文。
該研究系統(tǒng)繪制了人類胚胎干細(xì)胞多譜系分化和細(xì)胞重編程過程的全基因組R-loop圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜及多維表觀遺傳修飾圖譜，首次揭示了R-loop在人類細(xì)胞命運(yùn)決定過程中的作用，并提出R-loop可作為一種新型的表觀遺傳記憶發(fā)揮功能。
為獲得同基因型（isogenic）的研究體系，研究人員利用干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化體系，將人胚胎干細(xì)胞（hESC）定向分化為神經(jīng)干細(xì)胞（hNSC）、間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSC）、血管內(nèi)皮細(xì)胞（hVEC）和血管平滑肌細(xì)胞（hVSMC）等多譜系人類細(xì)胞。與此同時(shí)，研究人員通過細(xì)胞重編程技術(shù)將神經(jīng)干細(xì)胞（hNSC）重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSC）。利用這些細(xì)胞模型，研究人員繪制了多譜系人類細(xì)胞的DNA鏈特異性的全基因組R-loop圖譜，并且建立了相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組、染色質(zhì)開放性、DNA甲基化以及包括H3K27ac、H3K4me3、H3K36me3、H3K27me3等組蛋白修飾在內(nèi)的一系列表觀基因組圖譜。
圖. 人類干細(xì)胞多譜系分化和重編程的多維表觀遺傳圖譜研究
研究結(jié)果表明，人胚胎干細(xì)胞特異性富集的R-loop往往伴隨著多能干性基因（如OCT4和NANOG）的活躍轉(zhuǎn)錄；而在胚胎干細(xì)胞分化過程中，細(xì)胞類型特異性富集的R-loop與激活型組蛋白修飾共同參與調(diào)控了譜系特異性基因的表達(dá)。此外在特定譜系的分化細(xì)胞中，一部分R-loop與抑制型組蛋白修飾H3K27me3共同富集于多能干性基因和非目標(biāo)譜系特異性基因的區(qū)域，提示R-loop可能參與調(diào)控這些基因的沉默從而促進(jìn)目標(biāo)譜系基因的表達(dá)和特定譜系分化狀態(tài)的維持。
而在神經(jīng)干細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的過程中，僅部分R-loop被重塑回與胚胎干細(xì)胞相似的狀態(tài)；與之相對(duì)，大約三分之一的R-loop未被重編程，而是作為親本細(xì)胞一種特殊的“表觀遺傳記憶”形式持續(xù)存在；此外，重編程過程中還會(huì)形成一部分異常的R-loop。這些未被重編程和被異常重編程的R-loop隨著誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的連續(xù)傳代逐漸丟失，該過程可能與染色質(zhì)狀態(tài)的進(jìn)一步重構(gòu)相關(guān)。
該研究首次繪制了人類干細(xì)胞分化和重編程相關(guān)的多譜系多維表觀遺傳圖譜，提出R-loop可能介導(dǎo)了一種調(diào)控人類細(xì)胞命運(yùn)決定的新型表觀遺傳機(jī)制，并作為一種全新的細(xì)胞表觀遺傳記憶發(fā)揮功能。這些新發(fā)現(xiàn)不僅加深了相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ诩?xì)胞命運(yùn)調(diào)控的認(rèn)識(shí)以及對(duì)細(xì)胞表觀遺傳復(fù)雜性的理解，同時(shí)也提示清除異常R-loop對(duì)于提高iPSC質(zhì)量和安全性具有重要意義，對(duì)再生醫(yī)學(xué)研究具有潛在價(jià)值。
該項(xiàng)研究由中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所、中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所、中國(guó)科學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院、清華大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院等機(jī)構(gòu)合作完成。
共同第一作者劉尊鵬（左），顏鵬澤（右）
中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所劉光慧研究員和曲靜研究員、清華大學(xué)孫前文教授和中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所張維綺研究員為文章的共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所博士研究生顏鵬澤和劉尊鵬為并列第一作者。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所宋默識(shí)研究員、王思副研究員、中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所任捷研究員、慈維敏研究員以及清華大學(xué)頡偉教授為本文的共同高級(jí)作者。
該研究獲得了國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和北京市等項(xiàng)目資助。
（李晨陽）
