破译细胞“返老还童”的二维码

    本报广州12月9日电（记者吴春燕）现在的日常生活场景中活跃着各种各样的二维码。熟悉二维码的朋友们知道：这些信息其实是以“0-1”二进制的方式记录在那一个个或黑或白的像素中。近日，科学家通过对干细胞诱导过程进行研究，发现细胞在发生“返老还童”时，染色质的“开-关”状态恰似二维码一样记录了这个过程的大量信息。通过破译这些“二维码”的内在含义，科学家阐述了干细胞诱导过程的变化机制。这一研究由中国科学院广州生物医药与健康研究院裴端卿课题组、陈捷凯课题组和Andrew Hutchins课题组合作研究完成，李东伟博士、副研究员刘晶和博士生杨雪洁为课题论文的共同第一作者。裴端卿研究员指出：“这种二进制密码对应的信息，在所有细胞变化过程中都普遍存在。”

    这一课题论文日前发表在国际权威期刊《Cell Stem Cell》上。据裴端卿研究员介绍：在生命信息传递中心法则中，DNA是信息的输出源，哪些DNA信息被允许阅读，基本上就决定了细胞的命运。这个状态可以简单地用DNA所处的染色质“开-关”两种状态来衡量，而相比之下，中心法则后两个层次的信息——RNA和蛋白质则要复杂得多。因此，该论文在体细胞诱导为多能干细胞的过程中检测了染色质开关的动态变化过程，发现这一细胞“返老还童”的过程中，伴随着大规模染色质结构重排，这个过程首先关闭体细胞特异性位点，同时逐渐打开多能性相关位点；论文在染色质结构重排的进程中，还发现Sap30作为一个重编程过程激活的重要因子，会通过去乙酰化修饰来抑制体细胞关键转录因子对染色质的调控。

    “形象一点说，我们的DNA就像一本百科全书，基本上每个细胞都携带着能形成个体的所有信息，但在某个特定阶段（细胞类型），这本书只能翻开里面的一部分。我们的工作就是记录从体细胞到多能干细胞过程中，书是怎么从体细胞的打开方式，翻到多能干细胞的打开方式的，再以此为根据，去研究翻书的‘手’是什么。”论文的第一作者李东伟博士这样和我们解释。研究使用了ATAC-seq这种技术去读取染色质“开-关”状态的二维码，对整个过程进行比较后，发现在多能性获得和细胞命运转变过程中染色质结构具备从开放到关闭（open to close，OC）和关闭到开放（close to open，CO）这样简单的二元变化规律。在体细胞重编程早期成纤维细胞的很多特异性开放位点会被迅速关闭（OC），而到重编程后期很多多能性相关的位点则会被打开（CO）。研究团队认为开关的事件是直接与转录因子活性相关，因此对CO/OC位点的基序（motif）进行深入分析。分析发现CO位点显著的富集出了重编程因子OCT、SOX、KLF的基序（motif），这与使用的重编程因子Oct4/Sox2/Klf4是吻合的，但CO的过程是非常缓慢的。在更加快速的OC过程中，在OC位点上特异富集出了很强的成纤维细胞特异性的转录因子例如AP-1，ETS，TEAD，RUNX等家族成员，而没有OCT等重编程因子，证明体细胞相关染色质关闭（OC）过程是OCT、SOX、KLF非依赖的过程。进一步研究发现，与染色质关闭（OC）过程相关的因子都是体细胞重编程的重要障碍。陈捷凯研究员这样总结：“这种开-关的密码，结合DNA序列这本密码书，可以直接解读出转录因子的活性。”

    “二维码”在整个干细胞诱导过程中一直在变化，打开的（CO）可以用重编程因子解释，那关闭的（OC）过程又是哪只“手”在操作呢？通过进一步筛选，研究人员发现表观修饰基因Sap30在体细胞重编程早期被重编程因子激活，并通过促进成纤维细胞关键基因启动子区去乙酰化修饰，而使其启动子区逐渐关闭，最终沉默成纤维细胞关键调控基因，推动重编程进程。这部分研究结果首次揭示了体细胞重编程过程中染色质结构动态变化的规律—CO/OC逻辑，并为理解体细胞重编和其他相关细胞命运转变提供了新的可参考的理论模型。