一花一世界，一胞一乾坤。我們體內(nèi)的細(xì)胞就像我們每個(gè)人，各有其獨(dú)特的命運(yùn)和身份。細(xì)胞的命運(yùn)和身份主要由其獨(dú)特的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)決定和維持¹。細(xì)胞命運(yùn)決定或維持過程出現(xiàn)錯(cuò)誤均可能導(dǎo)致疾病發(fā)生。然而，有絲分裂作為多細(xì)胞生物生長(zhǎng)和維持的基石，卻給細(xì)胞命運(yùn)或身份的跨代繼承帶來了巨大挑戰(zhàn)。細(xì)胞在進(jìn)入有絲分裂后，染色質(zhì)高度凝集成染色體，絕大多數(shù)構(gòu)成基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的元件，如轉(zhuǎn)錄因子和染色質(zhì)重塑因子等，從染色體上剝離或降解，轉(zhuǎn)錄活動(dòng)幾乎完全停滯^2—4。隨著其獨(dú)特基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在有絲分裂期的“分崩離析”，細(xì)胞好似進(jìn)入短暫失憶狀態(tài)。那么，細(xì)胞在退出有絲分裂進(jìn)入分裂間期時(shí)，是如何精確、及時(shí)地重建其獨(dú)特的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的呢？關(guān)乎細(xì)胞命運(yùn)或身份的“記憶”在有絲分裂期如何被精確儲(chǔ)存，在分裂間期又如何被及時(shí)喚醒呢？

有絲分裂書簽被認(rèn)為是細(xì)胞跨代維持其命運(yùn)記憶的一種可能策略。特定的轉(zhuǎn)錄因子或染色質(zhì)重塑因子可以在有絲分裂期保留在高度致密的染色體上，作為書簽因子特異“標(biāo)記”關(guān)鍵命運(yùn)基因以促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄的快速重新激活，從而確保細(xì)胞命運(yùn)記憶的精確、及時(shí)傳遞。然而，過去幾十年間相關(guān)有絲分裂書簽的重要研究幾乎都在體外培養(yǎng)的細(xì)胞中完成^5—7。有絲分裂書簽在如神經(jīng)發(fā)育這樣復(fù)雜生理?xiàng)l件下的生理學(xué)功能及分子調(diào)控機(jī)理仍是領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵的未解之謎。

2024年12月10日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院宋艷課題組在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Molecular Cell上在線發(fā)表了題為“TBP bookmarks and preserves neural stem cell fate memory by orchestrating local chromatin architecture” 的最新研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)發(fā)育過程中，轉(zhuǎn)錄因子TBP通過招募染色質(zhì)重塑因子EP400增加局部染色質(zhì)可及性，作為有絲分裂書簽保留在神經(jīng)干細(xì)胞染色體上，進(jìn)而維持神經(jīng)干細(xì)胞的命運(yùn)記憶。

在前期相關(guān)神經(jīng)干細(xì)胞命運(yùn)決定的研究中，宋艷團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)超級(jí)轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合體（SEC）作為“信號(hào)放大器”驅(qū)動(dòng)神經(jīng)干細(xì)胞細(xì)胞命運(yùn)及時(shí)、精準(zhǔn)的鎖定（Liu et al, Dev Cell）⁸，但關(guān)于SEC調(diào)控關(guān)鍵靶基因轉(zhuǎn)錄的分子調(diào)控機(jī)制還尚不明晰。通過遺傳和生化篩選，研究人員發(fā)現(xiàn)SEC可以磷酸化轉(zhuǎn)錄因子TBP。更出乎意料的是，TBP蛋白可以保留在果蠅神經(jīng)干細(xì)胞高度凝聚的有絲分裂期染色體上（圖1）。為什么TBP能夠保留在高度致密的分裂期染色體上？ TBP有絲分裂保留的生物學(xué)意義又是什么？

圖1. 書簽蛋白TBP保留在果蠅神經(jīng)干細(xì)胞分裂期染色體上

通過精細(xì)的果蠅分子遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)和多組學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)SEC通過磷酸化修飾調(diào)控TBP有絲分裂保留能力，進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的自我復(fù)制和增殖。由于被SEC磷酸化的TBP能夠更有效地招募染色質(zhì)重塑子EP400，并在其染色質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)附近置換入組蛋白變體H2A.Z，進(jìn)而增加局部染色質(zhì)開放性，TBP得以在致密的分裂期染色體上保留下來，作為有絲分裂書簽維持神經(jīng)干細(xì)胞自我復(fù)制的命運(yùn)記憶。

圖2. 從發(fā)育腦中分離處于不同細(xì)胞周期的神經(jīng)干細(xì)胞并進(jìn)行低細(xì)胞投入量多組學(xué)分析的實(shí)驗(yàn)流程

那么，TBP在神經(jīng)干細(xì)胞分裂期染色體上特異標(biāo)記了哪些關(guān)鍵靶基因，進(jìn)而確保細(xì)胞命運(yùn)記憶的精確儲(chǔ)存和跨代傳遞呢？先前廣泛使用的鑒定蛋白在有絲分裂染色體上保留位點(diǎn)的方法是利用藥物處理將體外培養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞周期同步化并對(duì)有絲分裂期細(xì)胞加以富集，然后進(jìn)行多組學(xué)分析。然而，這一方法不適用于體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)研究建立了一個(gè)不依賴藥物處理的全新實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)了從發(fā)育腦中分離高純度有絲分裂期神經(jīng)干細(xì)胞，并進(jìn)行低細(xì)胞投入量的多組學(xué)分析（圖2）?；谠撔录夹g(shù)，研究人員細(xì)致精準(zhǔn)地鑒定了生理?xiàng)l件下TBP在果蠅有絲分裂期神經(jīng)干細(xì)胞中的染色體結(jié)合位點(diǎn)，并繪制了神經(jīng)干細(xì)胞有絲分裂期染色質(zhì)可及性圖譜。

圖3. 有絲分裂書簽TBP通過調(diào)控局部染色質(zhì)結(jié)構(gòu)維持神經(jīng)干細(xì)胞命運(yùn)記憶

綜上所述，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)書簽蛋白的有絲分裂保留促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞自我復(fù)制和增殖，首次揭示了有絲分裂書簽對(duì)神經(jīng)發(fā)育的重要生理學(xué)意義，并闡明了書簽蛋白通過調(diào)控局部染色質(zhì)可及性實(shí)現(xiàn)染色體保留的新機(jī)制（圖3）。值得一提的是，該研究建立了一個(gè)全新的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)育腦中書簽蛋白在染色體上的保留位點(diǎn)的精確鑒定。這一新方法將助力有絲分裂書簽在其它物種和其它組織器官中的發(fā)現(xiàn)及其生理學(xué)功能和機(jī)制研究的開展。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生申鈺熒（2020級(jí)）為該論文的第一作者。宋艷為該論文的通訊作者。課題組博士后劉琨（已出站）、博士研究生劉婕（2022級(jí)）、葉桐桐（2024級(jí)）、趙閏祥（2024級(jí)）和已畢業(yè)的申靜雯博士和張如蘭博士為本文作出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心和細(xì)胞增殖與分化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院宋艷課題組綜合運(yùn)用多種研究手段從獨(dú)特的視角研究腦發(fā)育中細(xì)胞命運(yùn)決定及命運(yùn)記憶維持或遺忘的分子調(diào)控機(jī)理，歡迎有志于探究細(xì)胞命運(yùn)記憶傳承機(jī)理的博士后或博士研究生加入。關(guān)于團(tuán)隊(duì)的更多介紹詳見實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站http://y%20ansongl%20ab.org/ 。

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來源：北京大學(xué)