Genome Biology丨刘林团队揭示小鼠胚胎干细胞原始态和始发态不同状态下转座元件和基因组稳定性差异

转座元件（TE）是指一类能够在基因组内移动的DNA序列，人类基因组中近一半序列都来源于TE。TE的插入和跳跃可以改变基因组遗传信息，是物种进化的重要原动力。人类正常体细胞中大多数TE已经丧失了“跳跃”的能力，但其仍然可以通过影响染色质表观遗传修饰、转录因子结合以及染色质构象等过程，对基因表达起着重要的调控作用【1】。端粒是位于线性染色体末端由重复DNA序列及保护蛋白构成的复合物，对于保持真核细胞基因组的稳定性和完整性具有重要作用。中山大学松阳洲教授课题组报道Daxx/Atrx复合体可以通过招募Suv39h促进H3K9me3抑制重复序列的活性并保护端粒【2】。胚胎干细胞（ESC）和大多数癌细胞中都具有很高的端粒酶活性；而在少数端粒酶阴性的癌细胞中，端粒的维持则有赖于非端粒酶依赖的同源重组机制【3】。端粒的稳态对于ESC无限自我更新能力和多能性的维持有着关键作用【4】。Naïve（原始态）和primed（始发态）代表了ESC中两种不同的多能性状态【5】。Naïve状态的小鼠ESC可以通过嵌合体实验得到具备生殖系转移能力的嵌合体后代，并可以通过四倍体胚胎互补实验得到完全ESC来源的小鼠；而primed状态的ESC不仅显示出了极低的嵌合效率，而且不具备生殖系转移的能力【6】。造成这两种多能性状态在体内发育潜能上差异的分子机制仍不够清楚。

2021年7月9日，南开大学刘林教授团队在Genome Biology上在线发表了题为Elevated retrotransposon activity and genomic instability in primed pluripotent stem cells的研究论文，从转座元件、端粒维持和基因组稳定性等角度系统分析了naïve和primed多能性状态下小鼠ESC的差异及潜在机制，为人类ESCs/iPSCs培养条件的优化和应用提供了更多线索和理论依据。

该研究首先通过比较基因转录组测序数据发现，与primed状态相比，naïve状态ESC表达更高的DNA修复尤其是同源重组修复（Homologous recombination）相关基因，DNA损伤实验也证实了primed状态ESC中DNA修复能力比naïve状态ESC低。进一步分析表明在primed状态ESC中，一类存在于naïve细胞中的二细胞期（2C）基因被明显抑制，其中组蛋白表观遗传修饰H3K9me2/3对于primed状态细胞中2C基因的抑制起到了关键作用。这也与之前高绍荣教授课题组发表的小鼠早期胚胎中的H3K9me3数据相一致【7】。另外，naïve状态ESC中端粒显著延长，端粒的维持依赖于端粒酶和非端粒酶依赖的同源重组机制共同起作用；而primed细胞中端粒仅能依赖端粒酶维持其在较短的长度，且长期体外培养后会出现端粒断裂（Fragility）现象，基因组不稳定性增加。值得注意的是目前所获得的人胚胎干细胞或iPSC是具有端粒酶活性，不足以延长端粒。

该研究还鉴定出了naïve和primed状态ESC中分别特异性高表达的转座元件L1Md_T和IAPEz-int，及组蛋白表观修饰H3K9me2/3和DNA甲基转移酶Dnmt3b共同调控其转录活性。外显子测序数据进一步表明，随着体外培养时间延长，primed状态细胞中积累了更多的基因拷贝数变异（CNV），且这些CNV中包含了数量和种类众多的转座元件。这暗示了primed细胞中基因组不稳定与过多的转座元件异常插入相关。

总之，该研究揭示了与naïve状态相比，primed状态ESC中DNA修复能力明显下降，端粒维持有缺陷，与不同的TE活性和表观遗传状态有关。随着体外培养时间增长，primed细胞中积累了更多的基因组不稳定性，这可能与TE的异常插入有关（下图）。这些因素与primed状态ESC自身的细胞周期异常和线粒体功能不够，共同导致了其体内发育潜能的下降。这项研究为今后人类ESC培养条件的优化和临床应用提供了更多的角度和理论依据。

据悉，该研究的通讯作者为南开大学生命科学学院、药物化学生物学国家重点实验室的刘林教授，博士生付海峰，博士生张炜煜，博士后李念念和博士后杨姣为该论文的共同第一作者，博士生田成磊，叶孝颖和吕鑫屹研究员为本文作出重要贡献。

原文链接：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02417-9

制版人：十一

参考文献

1. Cordaux R, Batzer MA: The impact of retrotransposons on human genome evolution. Nat Rev Genet 2009, 10:691-703.

2. He Q, Kim H, Huang R, Lu W, Tang M, Shi F, Yang D, Zhang X, Huang J, Liu D, Songyang Z: The Daxx/Atrx Complex Protects Tandem Repetitive Elements during DNA Hypomethylation by Promoting H3K9 Trimethylation. Cell Stem Cell 2015, 17:273-286.

3. Cesare AJ, Reddel RR: Alternative lengthening of telomeres: models, mechanisms and implications. Nat Rev Genet 2010, 11:319-330.

4. Liu L: Linking Telomere Regulation to Stem Cell Pluripotency. Trends Genet 2017, 33:16-33.

5. Weinberger L, Ayyash M, Novershtern N, Hanna JH: Dynamic stem cell states: naive to primed pluripotency in rodents and humans. Nat Rev Mol Cell Biol 2016, 17:155-169.

6. De Los Angeles A, Ferrari F, Xi R, Fujiwara Y, Benvenisty N, Deng H, Hochedlinger K, Jaenisch R, Lee S, Leitch HG, et al: Hallmarks of pluripotency. Nature 2015, 525:469-478.

7. Wang C, Liu X, Gao Y, Yang L, Li C, Liu W, Chen C, Kou X, Zhao Y, Chen J, et al: Reprogramming of H3K9me3-dependent heterochromatin during mammalian embryo development. Nat Cell Biol 2018, 20:620-631.

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