HACS
小總結(jié):
該研究闡明了表觀遺傳因子PCGF6能夠作為人多能干細(xì)胞譜系特異性“轉(zhuǎn)換者”的新功能，同時(shí)揭示了PcG蛋白通過(guò)協(xié)同不同因子實(shí)現(xiàn)抑制和激活轉(zhuǎn)錄來(lái)調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)決定的潛在機(jī)制。
Nature Communications|文章標(biāo)題：
PCGF6 controls neuroectoderm specification of human pluripotent stem cells by activating SOX2 expression
PCGF6通過(guò)激活SOX2表達(dá)控制人多能干細(xì)胞的神經(jīng)外胚層分化
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多梳環(huán)指蛋白(Polycomb Group Ring Finger，PCGF)介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄抑制機(jī)制已被廣泛研究。PcG蛋白作為發(fā)育基因的抑制因子，最初在黑腹果蠅中被發(fā)現(xiàn)，它能夠在早期胚胎發(fā)生過(guò)程中通過(guò)維持Hox基因的時(shí)空抑制來(lái)控制果蠅分節(jié)。隨后，PcG蛋白被證明是通過(guò)染色質(zhì)修飾調(diào)控發(fā)育基因所必需的表觀遺傳調(diào)控在早期胚胎發(fā)育中具有重要的作用。作為重要表觀遺傳調(diào)控蛋白Polycomb group(PcG)蛋白家族核心成員，多梳環(huán)指蛋白能在進(jìn)化上保守地通過(guò)抑制發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)從而調(diào)控早期胚胎發(fā)育。
PcG復(fù)合物大致分為兩種主要復(fù)合物，即Polycomb抑制復(fù)合物1(PRC1)和Polycomb抑制復(fù)合物2(PRC2)。在哺乳動(dòng)物中，PRC1由5個(gè)CBX同源物(CBX2/4/6/7/8)、6個(gè)PCGF家族成員(PCGF1-6)、3個(gè)PHC家族成員(PHC1-3)和2個(gè)泛素連接酶(RING1A/1B)組成，它們催化組蛋白H2A(H2AK119ub)賴氨酸119的泛素化，促進(jìn)染色質(zhì)壓縮。PRC2由核心成分EZH2或與其密切相關(guān)的同源物EZH1、EED和SUZ12組成，它們催化組蛋白H3(H3K27me)7的賴氨酸27的甲基化。
Polycomb repressive complex 1&2。(BMI1是PCGF的別名)
PCGF6在小鼠早期胚胎發(fā)育過(guò)程中在多種組織和細(xì)胞類型中高表達(dá)。PCGF6純合子缺失的小鼠是可存活和可育的，但不能以正常的孟德?tīng)柋嚷食錾?，提示胚胎發(fā)育異常。事實(shí)上，在Pcgf6?/?純合子敲除胚胎中，從囊胚期到植入后發(fā)育，持續(xù)檢測(cè)到胚胎死亡，而存活的Pcgf6?/?胚胎顯示出生長(zhǎng)遲緩表型。此外，在小鼠ESCs中敲除Pcgf6降低了核心多能性因子的表達(dá)，而在小鼠ESCs中Pcgf6的完全缺失導(dǎo)致了生殖細(xì)胞相關(guān)基因的強(qiáng)大去抑制。這些研究表明，PCGF6對(duì)小鼠的早期發(fā)育具有重要作用。然而，PCGF6是否可以獨(dú)立于PRC1發(fā)揮作用，以及PCGF6是否以及如何在人類早期發(fā)育中發(fā)揮作用尚未揭示。
研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：武漢大學(xué)中南醫(yī)院醫(yī)學(xué)研究院、免疫與代謝前沿科學(xué)中心蔣衛(wèi)教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事細(xì)胞命運(yùn)決定的分子調(diào)控機(jī)制和轉(zhuǎn)化研究，主要利用人多能干細(xì)胞維持和分化體系，探討早期多能性轉(zhuǎn)換及胚層分化的表觀和代謝調(diào)控機(jī)制，同時(shí)也研究如何結(jié)合細(xì)胞分化、組織工程等制備功能胰島細(xì)胞用于細(xì)胞治療和建立糖尿病疾病模型。加入武漢大學(xué)以來(lái)以通訊作者（含共同）發(fā)表20篇論文，發(fā)表期刊包括Nat Commun (2022)、Nucleic Acids Res (2022)、Redox Biol (2022)、Stem Cell Rep (2020、2021)、Theranostics (2022)、Cell Discov (2022)、Small (2022)等。假設(shè)&提問(wèn)（Hypothesis&Question）
Q1. “小鼠ESCs中敲除Pcgf6后，有部分胚胎死亡，發(fā)育異常，出生長(zhǎng)遲緩，降低了核心多能性因子的表達(dá)”，在人PSCs中是否一樣?
研究人員利用CRISPR/Cas9技術(shù)，首次得到PCGF6純合敲除的人多能干細(xì)胞。發(fā)現(xiàn)PCGF6-KO之后人PSCs仍能形成克隆并顯示堿性磷酸酶染色陽(yáng)性，但菌落扁平、松散、形態(tài)獨(dú)特(圖1b)。
PCGF6-KO不影響細(xì)胞周期、增殖和PSCs的維持，但集落大小明顯變小(圖1c、d和補(bǔ)充圖1d)此外，qRT-PCR分析和免疫熒光染色顯示，敲除PCGF6對(duì)核心多能性因子OCT4和NANOG的RNA和蛋白水平?jīng)]有顯著影響(圖1e，f)。Western blot分析也顯示了PCGF6-KO和野生型(WT)細(xì)胞中OCT4和NANOG的表達(dá)水平相當(dāng)(補(bǔ)充圖1e)。此外，PCGF6-KO對(duì)PRC1.6其他組分的蛋白水平?jīng)]有影響(補(bǔ)充圖1f)。我們通過(guò)與antiRING1B抗體在野生型和pcgf6缺失的人PSCs中進(jìn)一步檢測(cè)了PRC1.6復(fù)合物的穩(wěn)定性。在野生型人PSCs中，RING1B容易與內(nèi)源性L3MBTL2、MAX、RYBP、E2F6、MGA和EHMT2共免疫沉淀，而在PCGF6-KO細(xì)胞中，RING1B與L3MBTL2、MAX、E2F6、MGA、EHMT2之間的相互作用嚴(yán)重受損。我們還注意到，PCGF6的缺失并沒(méi)有破壞RYBP和RING1B之間的相互作用(圖1g)。
Fig1. c-g
Q2. PCGF6敲除后細(xì)胞基因表達(dá)譜有何變化？
與野生型人多能干細(xì)胞相比，PCGF6-KO表現(xiàn)出基因的異常表達(dá)和部分分化。
Fig2. RNA測(cè)序（RNA-seq）等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PCGF6的缺失會(huì)導(dǎo)致基因表達(dá)的異常和分化的失衡
Q3. 具體機(jī)制？
首先，研究人員建立了人多能干細(xì)胞多方向分化體系，發(fā)現(xiàn)PCGF6敲除的人多能干細(xì)胞在分化過(guò)程中出現(xiàn)了偏向性，即更傾向于向中內(nèi)胚層分化，而向神經(jīng)外胚層分化能力受損。在更進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，一方面，PCGF6通過(guò)依賴于PRC1.6的抑制作用，作為參與WNT信號(hào)通路的相關(guān)基因表達(dá)的阻遏物調(diào)控中內(nèi)胚層發(fā)育。
Fig3. 人PSCs中PCGF6的缺失激活了WNT信號(hào)通路
Fig. 4 | PCGF6 is required for neuroectoderm differentiation from human PSCs through regulating SOX2.
PCGF6 基因敲除的PSCs大幅下調(diào)神經(jīng)細(xì)胞標(biāo)記分子PAX6和SOX1，而過(guò)表達(dá)SOX2可以部分恢復(fù)。
另一方面，PCGF6能募集轉(zhuǎn)錄因子MYC到SOX2下游一個(gè)新的調(diào)控元件附近，通過(guò)正向調(diào)節(jié)SOX2表達(dá)的方式維持神經(jīng)外胚層的正常發(fā)育。
Fig5. PCGF6通過(guò)招募MYC激活SOX2的表達(dá)
PCGF6 在人類 PSC 中的作用模型
研究意義（Significance）該研究提出一個(gè)新的模型，即PCGF6作為“on-off”開(kāi)關(guān)，它決定了人多能干細(xì)胞的定向分化。這些研究結(jié)果豐富了對(duì)于人類早期胚胎調(diào)控的認(rèn)識(shí)，并揭示了由PcG蛋白介導(dǎo)的表觀遺傳在譜系特化中的雙重調(diào)控機(jī)制，有助于理解表觀遺傳因素在細(xì)胞命運(yùn)決定和胚胎發(fā)育過(guò)程中的多種功能。
-原文摘要-
Polycomb group (PcG) proteins are known to repress developmental genes during embryonic development and tissue homeostasis.
Here, we report that PCGF6 controls neuroectoderm specification of human pluripotent stem cells (PSCs) by activating SOX2 gene.
Human PSCs with PCGF6 depletion display impaired neuroectoderm differentiation coupled with increased mesendoderm（中胚層） outcomes.
Transcriptome analysis reveals that de-repression of the WNT/β-catenin signaling pathway is responsible for the differentiation of PSC toward the mesendodermal lineage.
Interestingly, PCGF6 and MYC directly interact and co-occupy a distal regulatory element of SOX2 to activate SOX2 expression, which likely accounts for the regulation in neuroectoderm differentiation.
Supporting this notion, genomic deletion of the SOX2-regulatory element phenocopies the impaired neuroectoderm differentiation, while overexpressing SOX2 rescues the neuroectoderm phenotype caused by PCGF6-depletion.
Together, our study reveals that PCGF6 can function as lineage switcher between mesendoderm and neuroectoderm in human PSCs by both suppression and activation mechanisms.---------------------------------------------------------#小尾巴~
多梳家族蛋白（PcG proteins）形成兩個(gè)PRC復(fù)合物，PRC1和PRC2。PRC2包含核心成分EZH1、EZH2、EED和SUZ12。
本研究證明PRC1核心成員PCGF6通過(guò)激活SOX2控制干細(xì)胞神經(jīng)外胚層分化。
請(qǐng)看下一篇文章證明PRC2核心成員EZH2通過(guò)激活SOX2控制干細(xì)胞神經(jīng)外胚層分化。
參考文獻(xiàn)：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32295-z.pdf
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