DNA甲基化是體細胞重編程過程中重要的表觀遺傳屏障

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DNA甲基化是體細胞重編程過程中重要的表觀遺傳屏障。然而，整個基因組的甲基化是如何被重新編程的，這在很大程度上仍是未知的。Sardina等人通過繪製正在重新編程的細胞的DNA甲基化圖來解決這個問題，並表明TET蛋白和轉錄因子協同配合去甲基化對重新編程至關重要。

DNA甲基化在哺乳動物發育過程中起著重要的轉錄調控作用。兩種酶系統，即DNA甲基轉移酶(DNMT)和10 - 11易位蛋白(TET)，甲基化和去甲基化DNA從C到5-甲基胞嘧啶(5mC)，再回到C，建立全基因組的甲基化模式，這是決定細胞命運所必需的。不適當的甲基化通過DNMTs或TETs導致發育異常和疾病。例如，缺失或抑制TET蛋白與小鼠學習和記憶不良和人類急性髓系白血病等缺陷有關。

多能幹細胞，包括胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞(iPSCs)，是分析發育過程的良好模型系統，與體細胞不同的是，它們處於DNA低甲基化狀態。在成熟因子(如Oct4和Nanog)中發現的基因調控元件(GREs)在體細胞中高度甲基化以保持沉默，它們必須在iPSC生成過程中進行去甲基化。部分重編程細胞在重編程過程中出現，主要是由於不能去甲氧基化和不能還原多能基因。相比之下，增強子和啟動子在完全重編程的iPSCs中表現得很低調，因此，DNA甲基化，無論是被動的還是主動的，都是成功重編程的限速步驟。然而，在重新編程過程中，控制去甲氧基薑黃素- 脫羥基的具體機制仍不清楚。

Sardina等人使用了一個B細胞重編程系統，其中ccaat - enhancercerbinding protein a (C/EBPa)可以在4天內將B細胞重編程到Ba0狀態，然後用可誘導的Oct4、Sox2、Klf4和C - myc (OSKM)完成重編程，並演示了兩波去甲基化過程。第一個過程包括B-Ba0-第1天細胞階段的主動去甲基化，第二個過程包括第2天4天的被動去甲基化。由於這個B細胞重編程系統遵循了小鼠胚胎成纖維細胞(MEF)重編程中染色質可及性動力學的相同二進位邏輯，因此它應該為探索DNA甲基化與染色質可及性之間的關係提供巨大的機會。有趣的是,當與化驗分析transposaseaccessible染色質測序數據,薩迪納等人表明染色質位點發生脫甲基的一部分被打開或之前脫甲基作用在可訪問性(dba)富含AP1之前,Klf, Oct4圖案,符合關閉打開(CO) 2 co4富含AP-1, Oct4、襪,Klf圖案觀察之前。這些結果很可能使Klf4、Oct4和Sox2成為先鋒因子，因為它們可以與這些位點結合。在重新編程MEFs時，Sardina等人還發現了3827位dba, 463個區域與B細胞數據集共享。然而，當Klf4單獨過度表達時，只有Klf4發揮了超級先鋒的作用，這表明Klf4在重新編程過程中介導去甲基化過程中起著主導作用。

KLF4介導去甲基化的候選夥伴應該是作為所有TETs (Tet1, Tet2, Tet3，三重敲除或TKO)完全敲除的一種TET蛋白，因為MEFs無法進行間充質-上皮轉化(MET)而取消了重編程。這可能是由於TKO導致miR-200啟動子的高甲基化狀態，而miR-200啟動子是MET的關鍵調控因子。因此，DNA去乙基化似乎是由粉防己酶精確協調的。此外，單個TET蛋白的缺失會導致不同的表型，Tet2的缺失對重新編程的影響最大，缺失後iPSC的生成明顯減少，說明Tet2對重新編程非常重要。此外，研究還表明，過表達TET2可促進脫乙基酶活性依賴性的重編程。早期激活Tet2，然後招募到Nanog和Esrrb位點，將5mC轉化為5-羥甲基胞嘧啶。因此，TET2很可能成為KLF4協調其先導功能的候選合作夥伴。在這三種TETs中，Sardina等人發現在MEF和B細胞重編程系統中，只有Tet2被提前激活。此外，當在MEFs中過表達時，Tet2可以去除miR-200啟動子上的甲基化，使TKO MEFs免於重編程缺陷。因此，Klf4以及其他轉錄因子(TFs)可能在重新編程時招募Tet2去甲基化染色質可達性動力學臨界位點。

圖1在TF指導下的TETs重編程過程中的脫甲基動力學：轉錄因子(TFs)引導ten- 11易位(TET)蛋白在B細胞重編程過程中以級聯方式去甲基化染色質位點，從而誘導多能幹細胞。這些TFs可能在不同的重編程階段(細胞類型)調節不同的基因調控網絡。

為了探究這個問題，Sardina等人測試了TFs引導TET蛋白靶向位點並促進去甲基化的想法(見上圖)。在此基礎上，Tet2靶向於Oct4、Sall4、Esrrb、Nanog和Zfp42等多能基因，介導相關GREs的去甲基化。同時，C/EBPa也可以結合Klf4的兩種造血促進劑，激活其表達。在天真的狀態下，51%的Tet2結合位點與Klf4重疊，表明Klf4與Tet2可能在功能上進行合作。實際上，Klf4與Tet2結合，引導其進入高甲基化和不可到達的染色質位點，從而去甲基化，釋放被抑制的多能增強子，這表明Klf4具有新型的先導活性。因此，KLF4可能在C/EBPainduced Ba0重編程之後啟動重編程階段。最後，幼稚多能因子Tfcp2l1也可以與Tet2相互作用，並將其招募到多能基因的GREs中，多能基因在重新編程後期進行去甲基化。

總體而言，Sardina等人的研究提供了在重編程過程中TFs、TETs和DNA去甲基化之間相互作用的複雜分析。他們令人信服地表明，TFs在重新編程的不同階段招募和引導TETs去甲基化並激活這些基因。這般原則應該適用於更廣泛的情況，如發展和癌症。中斷這一過程可能導致癌症的治療，特別是涉及到TET蛋白的惡性過程。