個體發育是指受精卵經過細胞分裂、組織和器官形成，最終發育成個體的過程。其中，幹細胞持續的自我更新和多譜系分化是組織器官形成和個體發育的基礎。因此，幹細胞命運決定的機制解讀將有助於深入理解器官發生和個體發育的生物學過程。細胞重編程是指在特定條件下將代表成體細胞「身份」的表觀遺傳記憶擦除，使之重新獲得多能幹性的過程。經重編程產生的誘導性多能幹細胞（iPSC）在疾病的機制研究、藥物篩選和細胞移植治療等方面具有廣闊的應用前景。R-loop是一種特殊的染色質結構，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，且參與調控染色質修飾、DNA複製和基因表達等多種生物學過程。然而，R-loop在人類細胞命運決定（包括幹細胞分化和重編程）過程中的作用尚不明確。
2020年7月7日，中國科學院動物研究所劉光慧研究組和曲靜研究組、清華大學孫前文研究組、中國科學院北京基因組研究所張維綺研究組合作在Cell Reports雜誌在線發表題為「Genome-wide R-loop landscapes during cell differentiation and reprogramming」的研究論文。該研究系統繪製了人類胚胎幹細胞多譜系分化和細胞重編程過程的全基因組R-loop圖譜、轉錄圖譜及多維表觀遺傳修飾圖譜，首次揭示了R-loop在人類細胞命運決定過程中的作用，並提出R-loop可作為一種新型的表觀遺傳記憶發揮功能。
為獲得同基因型（isogenic）的研究體系，研究人員利用幹細胞定向誘導分化體系，將人胚胎幹細胞（hESC）定向分化為神經幹細胞（hNSC）、間充質幹細胞（hMSC）、血管內皮細胞（hVEC）和血管平滑肌細胞（hVSMC）等多譜系人類細胞。與此同時，研究人員通過細胞重編程技術將神經幹細胞（hNSC）重編程為誘導多能幹細胞（hiPSC）。利用這些細胞模型，研究人員繪製了多譜系人類細胞的DNA鏈特異性的全基因組R-loop圖譜，並且建立了相應的轉錄組、染色質開放性、DNA甲基化以及包括H3K27ac、H3K4me3、H3K36me3、H3K27me3等組蛋白修飾在內的一系列表觀基因組圖譜。研究結果表明，人胚胎幹細胞特異性富集的R-loop往往伴隨著多能幹性基因（如OCT4和NANOG）的活躍轉錄；而在胚胎幹細胞分化過程中，細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控了譜系特異性基因的表達。此外在特定譜系的分化細胞中，一部分R-loop與抑制型組蛋白修飾H3K27me3共同富集於多能幹性基因和非目標譜系特異性基因的區域，提示R-loop可能參與調控這些基因的沉默從而促進目標譜系基因的表達和特定譜系分化狀態的維持。而在神經幹細胞重編程為誘導多能幹細胞的過程中，僅部分R-loop被重塑回與胚胎幹細胞相似的狀態；與之相對，大約三分之一的R-loop未被重編程，而是作為親本細胞一種特殊的「表觀遺傳記憶」形式持續存在；此外，重編程過程中還會形成一部分異常的R-loop。這些未被重編程和被異常重編程的R-loop隨著誘導多能幹細胞的連續傳代逐漸丟失，該過程可能與染色質狀態的進一步重構相關。
該研究首次繪製了人類幹細胞分化和重編程相關的多譜系多維表觀遺傳圖譜，提出R-loop可能介導了一種調控人類細胞命運決定的新型表觀遺傳機制，並作為一種全新的細胞表觀遺傳記憶發揮功能。這些新發現不僅加深了相關領域對於細胞命運調控的認識以及對細胞表觀遺傳複雜性的理解，同時也提示清除異常R-loop對於提高iPSC質量和安全性具有重要意義，對再生醫學研究具有潛在價值。
據悉，該項研究由中國科學院動物研究所、清華大學、中國科學院北京基因組研究所、中國科學院生物物理研究所、中國科學院幹細胞與再生醫學創新研究院、首都醫科大學宣武醫院等機構合作完成。中國科學院動物研究所劉光慧研究員和曲靜研究員、清華大學孫前文教授和中國科學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。中國科學院動物研究所博士研究生顏鵬澤和劉尊鵬為並列第一作者。中國科學院動物研究所宋默識研究員、王思副研究員、中國科學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頡偉教授為本文的共同高級作者。
圖. 人類幹細胞多譜系分化和重編程的多維表觀遺傳圖譜研究
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https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.107870