高紹榮/鞠振宇/樂融融合作研究成果發表於《細胞·幹細胞》，有助於揭示人類衰老之謎
來源：新聞中心 時間：2020-12-25 瀏覽：12月23日，同濟大學生命科學與技術學院高紹榮教授團隊與暨南大學鞠振宇團隊在《細胞·幹細胞》（Cell Stem Cell）發表《Dcaf11激活Zscan4介導的早期胚胎和胚胎幹細胞端粒延長》（Dcaf11 activates Zscan4-mediated alternative telomere lengthening in early embryos and embryonic stem cells）論文，揭示Dcaf11基因可顯著促進胚胎幹細胞ALT介導的端粒延伸和維持相關基因的激活。
端粒是一種存在於真核細胞線狀染色體末端的一小段DNA-蛋白質複合體，它與端粒結合蛋白一起構成了染色體的「帽子」結構，作用是保持染色體的完整性和細胞的分裂能力。「端粒如同螺絲釘中的螺絲帽，一圈圈擰緊了，就可以保證輪子運行穩定、防止輪子跑偏。」高紹榮介紹，它能防止染色體末端的重組和降解，對維持細胞染色體的穩定性具有重要作用。
但是，隨著年齡的增長，這個螺絲帽漸漸老化，變小了、短了，最終導致螺絲失去穩定的管束，車輪漸漸就跑偏了、出故障了，成體細胞的細胞分裂最終停滯下來了。因此，端粒縮短是引發個體衰老的重要原因，人類衰老的諸多疾病都是因它而起的。
如何才能保證螺絲帽的「青春常在」？就是讓端粒的長度維持在一個衡定的狀態。樂融融介紹，端粒不萎縮、不老化，可以通過兩種機制來實現：端粒酶依賴機制和不依賴端粒酶的端粒延長機制（Alternative lengthening of telomeres，即端粒延伸替代機制，縮寫為：ALT）。所謂端粒酶，是在細胞中負責端粒延長的一種酶，猶如建築上常用的修補材料。我們探討的是端粒延伸替代機制（ALT），因為目前人們對於其發生過程中的分子機制知之甚少。
該研究在小鼠胚胎幹細胞中進行了ALT相關因子的篩選，發現Dcaf11在小鼠早期胚胎和胚胎幹細胞ALT介導的端粒延伸和維持中發揮重要作用。Dcaf11缺失會導致小鼠端粒縮短，進而引發小鼠骨髓造血幹細胞功能異常和應激狀態下損傷修復能力的顯著下降。隨後，研究人員研究了Dcaf11的互作蛋白，發現Dcaf11可促進Kap1（一種轉錄中介因子,在諸多轉錄調控複合體中起橋梁作用）的泛素化（指一類低分子量的蛋白質分子在一系列特殊的酶作用下，將細胞內的蛋白質分類，從中選出靶蛋白分子，並對靶蛋白進行特異性修飾的過程）降解，進而激活ALT相關基因Zscan4（在早期胚胎和胚胎幹細胞中發揮重要作用，端粒延伸是其中一個重要作用）的表達。研究成果揭示了早期胚胎ALT過程中的關鍵因子及作用機制，為進一步理解早期胚胎ALT機制提供了重要線索。
據悉，2014年，高紹榮課題組的樂融融博士利用端粒酶敲除小鼠模型研究了核移植技術、iPS（人工誘導多能幹細胞）技術重編程端粒缺陷的能力，研究表明早期胚胎中存在高效修復供體細胞端粒缺陷的ALT因子。但是，ALT為何能修復端粒缺陷，機制還尚不明晰。
Dcaf11對Zscan4激活、胚胎發育以及端粒延長和維持的影響
為了解答這個問題，課題組利用高靈敏的蛋白定量質譜技術，檢測了小鼠植入前胚胎受精卵、2-細胞、4-細胞、8-細胞、桑葚胚和囊胚等六個時期的蛋白質組信息，成功確認了植入前胚胎中四千多個蛋白的含量變化信息，並首次繪製了小鼠植入前胚胎蛋白質組動態圖譜。在此基礎上，課題組成員進一步篩選ALT相關基因，結果發現 Dcaf11可顯著提高胚胎幹細胞ALT的活躍程度。
為了進一步驗證這一新發現，研究人員敲除了小鼠的Dcaf11基因。缺失了Dcaf11的小鼠胚胎發育率明顯下降、基因表達出現異常、卵裂期胚胎端粒延伸速率明顯下降。隨著Dcaf11敲除小鼠代數的遞增，小鼠端粒一代一代逐漸縮短。晚代小鼠骨髓造血幹細胞的造血重建能力、應激狀態下的損傷修復能力都顯著下降。
Dcaf11敲除小鼠骨髓造血幹細胞造血重建能力和損傷修復能力顯著下降
研究人員進一步研究Dcaf11促進端粒延長機制發現，Dcaf11作為E3泛素連接酶（是一個能夠將泛素分子連接到目的蛋白質的某個賴氨酸上的酶）的識別蛋白，靶向底物Kap1（轉錄調控中的一個橋梁分子）並促進其降解。在Dcaf11敲除的ESC（胚胎幹細胞）中，敲降Kap1後可重新激活Zscan4，進而修復Dcaf11缺失而引發的端粒缺陷，激活端粒延伸機制。
樂融融介紹，這項研究為進一步理解早期胚胎端粒延伸和調控機制提供重要線索，其成果將有助於揭示人類衰老之謎，並找到長壽的鑰匙。
據了解，同濟大學高紹榮課題組助理教授樂融融、直博生黃憶鑫、助理研究員張豔平、暨南大學鞠振宇課題組教授汪虎、同濟大學高紹榮課題組碩士生林嘉明為該論文的共同第一作者，高紹榮教授、鞠振宇教授、樂融融助理教授為共同通訊作者。（程國政）