宋艳团队Mol Cell：揭示有丝分裂书签维持神经干细胞命运记忆机制 | Cell Press对话科学家

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2024-12-14 12:00发布于北京CellPress细胞科学官方账号

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2024年12月10日，北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心宋艳团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Molecular Cell上以“TBP bookmarks and preserves neural stem cell fate memory by orchestrating local chromatin architecture”为题发表研究论文。该研究发现转录因子TBP通过招募染色质重塑因子EP400调控局部染色质可及性，从而作为关键的有丝分裂书签保留在神经干细胞有丝分裂期染色体上，进而维持神经干细胞自我复制的命运记忆。

研究简介

一花一世界，一胞一乾坤。我们体内的细胞就像我们每个人，有其独特的命运和身份。细胞的命运和身份主要由其独特的基因调控网络决定和维持。细胞命运决定或维持过程出现错误均可能导致疾病发生。然而，有丝分裂作为多细胞生物产生和维持的基石，却给细胞命运或身份的跨代继承造成了巨大挑战。细胞在进入有丝分裂后，染色质高度凝集成染色体，绝大多数构成基因调控网络的元件，如转录因子或染色质重塑因子，从染色体上剥离或降解，转录活动几乎完全停滞。随着其独特基因调控网络在有丝分裂期的“分崩离析”，细胞好似进入短暂失忆状态。那么，细胞在退出有丝分裂进入分裂间期时，如何确保精确、及时地重建其独特的基因调控网络呢？关乎细胞命运或身份的“记忆”在有丝分裂期如何被精确储存，在分裂间期又如何被及时唤醒呢？

有丝分裂书签被认为是细胞跨代维持其命运记忆的一种可能策略。特定的转录因子或染色质重塑因子可以在有丝分裂期保留在高度致密的染色体上，作为书签因子特异“标记”关键命运基因以促进其转录的快速重新激活，从而确保细胞命运记忆的精确、及时传递。然而，过去几十年间相关有丝分裂书签的重要研究几乎都在体外培养的细胞中完成。有丝分裂书签在复杂生理条件下存在与否，其生理学功能及分子调控机理仍是领域内关键的未解之谜。

在之前的研究中，宋艳团队发现超级转录延伸复合体（SEC）作为“信号放大器”驱动神经干细胞细胞命运及时、精准的锁定（Liu et al, Dev Cell），但关于SEC调控关键靶基因转录的分子调控机制还尚不明晰。通过广泛的遗传和生化筛选，研究人员发现SEC可以磷酸化转录因子TBP。更出乎意料的是，TBP蛋白可以保留在果蝇神经干细胞高度凝聚的有丝分裂期染色体上（图1）。为什么TBP能够保留在高度致密的分裂期染色体上？TBP有丝分裂保留的生物学意义又是什么？

图1. 书签蛋白TBP保留在果蝇神经干细胞分裂期染色体上

通过精细的果蝇分子遗传学、细胞生物学、生物化学和多组学实验，研究人员发现SEC通过磷酸化修饰调控TBP有丝分裂保留能力，进而促进神经干细胞的自我复制和增殖。由于被SEC磷酸化的TBP能够更有效地招募染色质重塑因子EP400，并在其染色质结合位点附近置换入组蛋白变体H2A.Z，进而增加局部染色质开放性，TBP得以在致密的分裂期染色体上保留下来，作为有丝分裂书签维持神经干细胞自我复制的命运记忆。

图2. 从活体组织中高纯度地富集处于不同细胞周期的神经干细胞并进行组学分析的实验方案

那么，TBP在神经干细胞分裂期染色体上特异标记了哪些关键靶基因，进而确保细胞命运记忆的精确储存和跨代传递呢？先前广泛使用的鉴定蛋白在有丝分裂染色体上保留位点的方法是利用药物处理将体外培养细胞的细胞周期同步化并对有丝分裂期细胞加以富集，然后进行多组学分析。然而，这一方法不适用于体内实验。这项研究建立了一个不依赖药物处理的全新实验方案，实现了从发育脑中分离高纯度有丝分裂期神经干细胞，并进行低细胞投入量的多组学分析（图2）。基于该新技术，研究人员细致精准地鉴定了生理条件下TBP在果蝇有丝分裂期神经干细胞中的染色体结合位点，并绘制了神经干细胞有丝分裂期染色质可及性图谱。

图3.有丝分裂书签TBP通过调控局部染色质结构维持神经干细胞命运记忆

综上所述，这项研究发现书签蛋白的有丝分裂保留促进神经干细胞自我复制和增殖，首次揭示了有丝分裂书签对神经发育的重要生理学意义，并阐明了书签蛋白通过调控局部染色质可及性实现染色体保留的新机制（图3）。值得一提的是，该研究建立了一个全新的技术方案，实现对发育脑中书签蛋白在染色体上的保留位点的精确鉴定。这一新方法将助力有丝分裂书签在多物种中的发现及其生理学功能和机制研究的开展。

北京大学生命科学学院博士研究生申钰荧为该论文的第一作者。北京大学生命科学学院宋艳研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北大-清华生命科学联合中心和细胞增殖与分化教育部重点实验室的大力支持。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请宋艳研究员代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

为什么探究有丝分裂书签的体内功能特别具有挑战性？

宋艳研究员：

研究有丝分裂书签功能的难点在于，需要特异破坏书签蛋白的分裂期功能，而不影响其间期活性。到目前为止，设计巧妙且在体外培养细胞中被广泛使用的策略是有丝分裂期特异降解系统（MID; mitosis-specific degradation），即将书签蛋白与在分裂期被特异降解的因子融合，从而实现书签因子的分裂期特异降解。该系统的优势在于通用性和适用于体内研究。然而，一个令人担忧且不可避免的问题是，当书签蛋白在分裂期被降解后，其在分裂间期的蛋白均是细胞进入G1期后新生合成的。因此，书签蛋白在G1早期的蛋白水平通常低于其正常水平。我们之前在研究另一个在染色体上保留的Prospero蛋白的生理学功能时曾经尝试过在体内使用MID系统，结果显示尽管Pros-MID在分裂期可以被有效降解，但其在间期的蛋白水平远低于正常水平，因此该系统不可避免地影响了书签因子在细胞间期的表达量和活性。

在这项研究中，我们采用了一种独特的策略，即通过产生TBP的突变体，使其特异地在有丝分裂保留方面存在缺陷，而如蛋白表达量、细胞间期的基因组定位或与已知辅因子的蛋白互作等其它特性均不受影响。这样特异的TBP突变体使我们得以精准评估TBP在果蝇神经干细胞中有丝分裂保留的生理学功能。

CellPress：

与已有的分析蛋白染色质结合位点的方案相比，你们新开发mitotic CUT&Tag技术有何不同？

宋艳研究员：

鉴定书签蛋白在有丝分裂染色体上的保留位点对于其功能和调控机理的研究不可或缺。先前广泛使用的方法是利用药物处理将体外培养细胞的细胞周期同步化并对有丝分裂期细胞加以富集，然后进行ChIP-seq等组学分析。很可惜这一方法不适用于体内实验。以往的另一种策略则是通过化学交联固定并pH3染色的方法标记有丝分裂期细胞，然后通过流式分选这些细胞并进行ChIP-seq等组学分析。然而，化学交联固定会很大程度上使得保留在染色体上的蛋白从染色体上剥落下来。此外，ChIP-seq需要高样本量，而在特定组织特定发育阶段处于有丝分裂期的细胞往往数量非常有限。因此，第2种策略也无法适用于体内实验。

我们的研究成功建立了一个全新的实验流程。这一新方法可以从发育脑中分离高纯度的有丝分裂期和分裂间期的神经干细胞，并进行低细胞投入量的CUT&Tag-seq等多组学分析，首次实现了对发育脑中书签蛋白在有丝分裂染色体上的保留位点的精确鉴定。这一新方法也将助力有丝分裂书签在其它物种、其它组织器官中的发现及其生理学功能和分子机理研究的开展。

CellPress：

基于本研究的发现，团队下一步的研究计划是怎样的？

宋艳研究员：

大脑是我们人体内最为复杂的器官，作为我们神经系统的高级中枢，细胞命运记忆的精确传承在这里尤为重要。我们正在将我们的研究拓展到哺乳动物，以期理解脑发育过程中不同脑区神经干细胞或祖细胞如何在经历有丝分裂后及时“记住”或“遗忘”其细胞命运，从而实现其命运的维持或转换。我们将探究书签因子的异常调控如何引发神经发育相关疾病，以期为这些疾病的防治提供全新的视角和策略。对于有丝分裂书签机理的深入理解还将助力再生医学，在各种神经类疾病的细胞治疗中发挥重要作用。

论文作者介绍

宋艳

研究员

通讯作者：宋艳，北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学联合中心研究员。主要聚焦脑发育和相关神经发育疾病，以果蝇和小鼠为模型，综合运用多种研究手段从独特的视角探究脑发育中细胞命运决定及命运记忆维持或遗忘的分子调控机理，陆续在Developmental Cell， Molecular Cell 等期刊发表一系列研究成果。现任eLife、PLoS Genetics、Journal of Genetics and Genomics等学术期刊编委，Journal of Cell Biology 杂志青年顾问委员会委员。

申钰荧

博士在读

第一作者：申钰荧，本科毕业于华中师范大学化学学院，2020年至今于北京大学生命科学学院攻读博士学位。博士期间致力于研究书签蛋白对神经发育调控机理，开发从发育脑中鉴定书签因子有丝分裂保留位点的技术，曾获国家奖学金（本科）、北京大学校长奖学金、北京大学三好学生、北京地区果蝇会议最佳报告人等荣誉或奖励。