胚胎干细胞成功分化需要DNA紧密压缩

　　研究人员发现染色质浓缩是胚胎干细胞分化进行正确的分化所必需的,还发现在胚胎干细胞分化期间三种组蛋白H1亚型H1c、H1d和H1e表达水平增加,而缺乏这些H1亚型的胚胎干细胞在很长的一段时间内阻止它们自发分化,这就表明胚胎干细胞分化受损,而不能够成功地形成高质量的神经细胞网络。相关研究结果于2012年5月10日发表在PLoS Genetics期刊上。

　　新的研究发现表明不能够将DNA紧凑地浓缩在内部的胚胎干细胞不能够完成它们的首要任务:分化成特定类型的细胞,从而也就不能产生体内多种不同类型的组织和器官。

　　来自美国乔治亚理工学院和埃默里大学的研究人员发现染色质浓缩是胚胎干细胞正确分化所必需的。染色质---由组蛋白和DNA组成的---将DNA包装在一个更小的空间里,这样它才能够进入细胞内。

　　在这项研究中,研究人员发现在多种情形下,缺乏几种组蛋白H1亚型而表现出染色质浓缩下降的胚胎干细胞遭受分化受损,而且不能有效地沉默必须被抑制以便诱导分化的基因。

　　乔治亚理工学院助理教授Yuhong Fan说,"尽管研究人员已观察到胚胎干细胞表现出松弛的和开放的染色质结构,而已分化的细胞表现出浓缩的染色质结构,但是我们的研究是第一次发现这种浓缩不只是分化过程的结果,而且是分化正常进行所必需的。"

　　为了研究连接组蛋白和染色质折叠对干细胞分化的影响,研究人员利用缺乏三种连接组蛋白 H1亚型---H1c、H1d和H1e---的胚胎干细胞来开展研究,其中连接组蛋白H1是一类促进染色质折叠成更高级结构的结构蛋白。他们发现在胚胎干细胞分化期间这些H1亚型表达水平增加,而缺乏这些H1亚型的胚胎干细胞在很长的一段时间内阻止它们自发分化,这就表明胚胎体分化受损,而不能够成功地形成高质量的神经细胞网络。

　　已知组蛋白H1主要作为染色体一种结构组分发挥作用,但是这项研究揭示组蛋白H1的一种新的调节性功能。这项研究发现H1在控制指导胚胎干细胞分化的基因方面发挥作用,从而拓展人们对H1功能的理解,并对诱导干细胞产生特定类型细胞的细胞过程提供有价值的新见解。在自动分化期间,研究人员研究的大多数三种H1亚型遭到敲除的胚胎干细胞保持紧密堆积的细胞群体结构(这也是未分化细胞的典型特征),并且在很长的一段时间内表达高水平的Oct4。Oct4是一种维持胚胎干细胞自我更新能力的多能性基因,因此必须被抑制以便诱导分化。

　　Fan解释道,"H1剔除导致Oct4和Nanog多能性基因抑制受损,提示着H1和染色质浓缩之间存在的一种新的联系可能通过促进多能性基因的表观遗传沉默来调节多能性干细胞分化。尽管H1水平显著性下降并不干扰胚胎干细胞的自我更新,但是它似乎损害分化。"

　　研究人员也利用乔治亚理工学院生物医学工程系副教授Todd McDevitt开发出的一种旋转悬浮培养方法来高效地生产同质的被称作胚胎体的三维胚胎干细胞团块。胚胎体通常含有产生所有三种胚层---外胚层、中胚层和内胚层---的细胞类型,其中这三种胚层产生体内多种组织和器官。然而,进行旋转悬浮培养而形成的大多数三种H1亚型遭到敲除的胚胎体不能产生已分化的结构,而且表现出未分化干细胞典型特征的基因表达模式。

　　McDevitt注意到,"三种H1亚型遭到敲除的胚胎体在悬浮培养时表现出很多发育基因和标记的激活水平下降,这意味着分化为三种胚层的发育过程受到影响"

　　根据Fan的说法,胚胎体也缺乏分化所必需的多能性基因的表观遗传变化。

　　Fan解释道,"当我们把携带H1亚型的胚胎干细胞加入到胚胎体中,Oct4被抑制,而胚胎体分化继续进行。H1对Oc4表达的表观遗传调节在小鼠胚胎中也是显而易见的。"

　　在另一项实验中,研究人员提供一种促进胚胎干细胞分化为神经细胞的环境。然而,三种H1 亚型遭到敲除的胚胎干细胞在形成神经元、神经胶质细胞和神经网络方面存在缺陷。只有10%的三种H1亚型遭到敲除的胚胎体形成神经突,而且它们每个平均产生8个神经突。相反,50%的正常胚胎体平均产生18个神经突。

　　在未来的研究中,研究人员计划研究控制H1组蛋白水平是否影响将成体细胞重编程为诱导性多能干细胞,这是因为iPSC类似于胚胎干细胞能够分化为组成特定组织的细胞。