清華大學醫學院李海濤課題組發表合作論文揭示Gas41在胚胎幹細胞乾性維持中的作用

自我更新（self-renewal）和多能幹性(pluripotent)是胚胎幹細胞的兩大功能特徵，在幹細胞分化過程中，Oct4、Sox2、Nanog等核心轉錄因子逐漸被發育譜系特異性基因所取代。越來越多的研究表明這一過程涉及表觀遺傳調控機制，其中組蛋白變體（histone variant）在基因表達、分化發育以及細胞命運決定等過程中發揮著重要作用。H2A.Z是組蛋白H2A的變體，它在進化上高度保守並主要分布在基因組的啟動子和增強子區域，人源H2A.Z的裝配主要通過SRCAP(Snf2-related CBP activator protein)和Tip60/p400乙醯基轉移酶這兩個複合物進行。值得注意的是，SRCAP和Tip60/p400複合物具有一些共享亞基，其中就包括原癌因子Gas41。Gas41（Glioma Amplified Sequence 41）又叫YEATS4，其氨基端包含一個YEATS結構域。早期研究表明Gas41在人類神經膠質瘤中高表達，同時，在80%的I級星形細胞瘤以及早期癌症細胞中均能夠檢測到該基因的拷貝數擴增與過量表達，因此Gas41被認為是一類重要的促癌因子和癌症治療的潛在「靶標」。

發表Cell Discovery上的論文發現發現Gas41在非分化的小鼠胚胎幹細胞中高度表達，隨著細胞的持續分化，Gas41的表達量逐漸降低。以小鼠胚胎幹細胞為研究體系，敲低Gas41基因會使小鼠幹細胞的形態產生扁平狀的分化特徵，同時伴隨著細胞鹼性磷酸酶活性的降低。結合ChIP-seq實驗，發現Gas41和H2A.Z在基因組上的佔位存在80%的重疊，且大多富集在基因的啟動子和增強子區域，敲低Gas41基因將會明顯減少H2A.Z在基因組上的分布。李海濤課題組解析了2.1埃解析度的GAS41蛋白YEATS結構域特異性識別組蛋白H3K27ac的晶體結構，發現其YEATS結構域通過保守的三明治芳香籠口袋（S73、Y74、W93）實現對組蛋白H3K27ac側鏈的精準識別。對Gas41 YEATS結構域核心胺基酸進行突變不僅會減弱YEATS與組蛋白底物的結合能力，還會影響Gas41在染色質上的定位。值得注意的是，受H2A.Z調控的眾多發育基因上具有H3K4me3和H3K27me3並存的「二價結構域」（bivalent domains），Gas41的敲除導致H2A.Z整體水平降低，同時伴隨著「二價結構域」中H3K27me3的減少，使得原本處於轉錄沉默狀態的發育基因去抑制，促使胚胎幹細胞趨向分化。該研究證明Gas41的YEATS結構域通過識別組蛋白修飾H3K27ac和H3K14ac，招募SRCAP複合物到基因的「二價結構域」區域進行組蛋白變體H2A.Z的組裝，從而調控發育基因的轉錄使其處於一種平衡的二價狀態。

本研究首次展示了Gas41家族蛋白在胚胎幹細胞身份決定中發揮的重要作用。值得一提的是，李海濤課題組於今年一月份在Genes Dev上發表合作論文，報導了Gas41促進非小細胞肺癌增殖的分子細胞機制，從另一層面揭示了Gas41介導的「組蛋白乙醯化識別-組蛋白變體H2A.Z沉積-基因轉錄調控」通路在疾病發生中的作用。