Immunity | 任刚/赵可吉揭示TCF1如何协调表观遗传决定ILC祖细胞的谱系发育命运

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当前多种单细胞组学研究结果发现细胞异质性的普遍存在，特别是在细胞谱系发育前期的一些祖细胞中。而表观遗传状态对细胞异质性影响的机制目前尚缺乏相应的研究。人们推测表观遗传状态的异质性可能是基因表达和细胞异质性的基础，然而缺乏相应的实验数据支撑该观点。早期固有淋巴祖细胞（Early Innate Lymphoid Progenitors, EILPs）不仅可以分化为固有淋巴前体细胞（Innate Lymphoid Common Progenitors, ILCPs）从而形成固有淋巴细胞谱系（Innate Lymphoid Cells, ILCs），同时可以分化为树突状细胞（DCs）【1】。然而，EILPs是否包含不同表观遗传状态的细胞亚群？即EILPs细胞中是否存在表观遗传水平的异质性？以及重要转录因子在这种异质性的形成的功能，及其对下游细胞发育的影响机制还尚不清楚。

2022年7月25日，西北农林科技大学任刚教授在Immunity上发表了题为Transcription factors TCF-1 and GATA3 are key factors for the epigenetic priming of early innate lymphoid progenitors toward distinct cell fates的研究论文，阐明了EILP祖细胞的多能性是由其含有的异质细胞亚群的存在决定的，EILP中不同的单细胞根据表观遗传状态不同，可以优先分化不同的下游细胞谱系，同时此过程受TCF-1和GATA3等关键转录因子的调控。

研究人员首先优化了单细胞的DNase-Seq和ChIC-Seq实验技术，使其适用于微/小量细胞 （约100-500个细胞） ，并应用相关技术绘制了总淋巴祖细胞 （All Lymphoid Progenitors, ALPs） ，EILPs和ILCPs分化过程中表观遗传变化的全景图。比较分析发现42%的DNase I超敏感位点 （DHSs） 在三个阶段显示出不同的染色质可及性并与关键分化转录因子的表达变化相关，其中启动子远端DHSs的染色质可及性变化较为明显。进而，研究小组将不同细胞类型差异DHSs称为谱系决定位点 （Lineage Determine Sites, LDSs） ，把从ALP至ILCPs阶段染色质可及性增加的位点称为LDS-Is；把染色质可及性在ILCPs中消失的DHSs，以及染色质可及性在EILPs消失且在ILCPs中无可及性DHSs称为LDS-As。研究人员发现LDS-Is显著富集的基序是在ILCPs中高表达的转录因子TCF1和GATA3等，而LDS-As是在ALPs和DCs中高表达的PU.1和IRF8等。这表明祖细胞多能性的丧失与关键转录因子靶基序的染色质可及性相关。

为了详细探究EILPs细胞在表观遗传上的异质性，研究人员对EILPs和ILCPs进行单细胞MNase-Seq分析。单细胞MNase-Seq分析可以同时获得两个方面的信息：即染色质可及性信息 （小于80bp的测序片段） 和核小体的定位信息 （大于140bp的测序片段） 。综合两种信息获得每个单细胞的开放评分，进而利用LDS-Is和LDS-As对细胞在表观遗传上的倾向性进行分析，结果发现在流式分离的EILPs细胞中有64%细胞在表观遗传状态上更倾向LDS-Is (ILCs细胞) ，36%细胞表观遗传状态上更倾向LDS-As (DC细胞，图1) 。

这些结果表明EILPs中包含不同表观遗传的细胞群，这些细胞群在表观遗传上已经优先分化不同的下游谱系，当然正常状态下大多数EILPs细胞的分化命运在表观遗传上被确定为ILCs谱系。

已有研究表明，TCF-1是早期ILCs祖细胞分化所必需的，而GATA3对ILCs祖细胞的分化也起着重要作用 【2】 。研究人员通过少量细胞ChIC-seq发现EILPs向ILCPs分化的过程中，大部分LDS-Is是TCF-1和GATA3共同结合的。为了进一步研究TCF-1和GATA3在分化过程中是否以及如何调节染色质结构的，研究人员分别对Tcf7 ^EGFPnull  EILPs和Gata3 EGFPnull EILPs进行了DNase-seq、ChIC-seq和RNA-Seq。结果表明在EILPs向ILCPs分化的过程中，TCF-1和GATA3相互调控，并通过启动LDS-Is的染色质结构来调控ILCPs的分化。同时，TCF-1还可以通过调节LDS-As的染色质结构来抑制其向DCs分化，支持了TCF-1和GATA3形成正反馈调控网络并协同调控ILCP分化的模型。

最后，研究人员进一步探究了EILPs细胞中包含的不同表观遗传倾向性细胞亚群的分子特性和功能。发现EILPs的两个细胞亚群EILP1 （偏向于和EILP2在表观水平分别更倾向于骨髓谱系和ILC谱系，在关键转录因子的结合序列的可及性上亦如此） 。在TCF-1缺失的EILPsTcf7-KO细胞的表观遗传状态更倾向于DCs，或者说EILPs的细胞发育阻止在了ALPs阶段；同时在TCF-1缺失后的EILPs细胞中，LDS-As位点的可及性增加，LDS-Is位点可及性减少，从而利于其向下游的DCs分化 （图1） 。前期的体外细胞培养实验结果研究也证实了TCF1蛋白的这一功能。

总之， 该研究利用多种表观遗传学实验技术，绘制了ALP-EILP-ILCP细胞发育过程中表观遗传全景图，首次分析了EILP细胞在表观遗传上的异质性，以及这种异质性对下游细胞谱系发育的影响；同时探讨了关键转录因子TCF1如何作用于表观遗传，协同调控ILC前期祖细胞的分化、发育的机制 （图2） 。

任刚博士在NIH 赵可吉高级研究员实验室完成博士后研究，其工作系统揭示了表观遗传调控基因表达的分子机理，于2021年加入西北农林科技大学。目前任刚博士团队副教/副研究员岗位，博士后岗位尚有空缺，欢迎有生物学，生信背景，对生命科学感兴趣的同学加盟，共创未来！ （rengang666@nwafu.edu.cn） 。

原文链接：

https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(22)00292-8

参考文献

(1) Nat Immunol. 2019 Sep;20(9):1150-1160. doi: 10.1038/s41590-019-0445-7

(2) Immunity. 2020 Jan 14;52(1):83-95.e4. doi: 10.1016/j.immuni.2019.12.001.

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