细胞分化过程中，细胞的可塑性通常受到严格限制，以强化其
细胞身份
（cell identity）
并维持组织功能
【1】
。然而，某种程度的
细胞可塑性
（plasticity）
在生命进程中至关重要，如组织受损时细胞会通过再生反应恢复一定的可塑性，从而修复损伤；干细胞和祖细胞也会通过不断补充凋亡或移位的细胞来维持组织稳态
【2】
。
哺乳动物小肠上皮以隐窝-绒毛结构为基本单位，由多种功能化细胞组成。位于隐窝底部的Lgr5
+
肠干细胞通过分化为各种上皮细胞维持组织平衡。这种精确的细胞类型动态调控对肠道功能至关重要，使其成为研究细胞可塑性调控的理想模型
【3】
。在损伤或感染条件下，许多成熟肠上皮细胞会通过去分化恢复干细胞特性，从而再生出所有细胞类型，包括肠干细胞本身。
越来越多的证据表明表观遗传调控在细胞命运决定中发挥核心作用
【4】
。
肠上皮细胞间的染色质特征极为相似，降低了去分化的障碍，有利于细胞在损伤后迅速恢复可塑性。
然而，成熟细胞在功能和转录水平上与干细胞差异显著，如何在保持其细胞身份特征的同时实现再生仍有待研究。组蛋白H3第36位赖氨酸（H3K36）的甲基化对谱系特异性基因调控至关重要
【5】
，但其在肠上皮分化中的作用鲜有研究，解析H3K36甲基化在肠上皮可塑性调控中的作用，将为阐明肠道损伤后的再生机制提供新的证据。
近日，科罗拉多大学
Peter J. Dempsey
和
Justin Brumbaugh
实验室等合作在
Nature Cell Biology
杂志发表了题为
H3K36 methylation regulates cell plasticity and regeneration in the intestinal epithelium
的研究文章，
揭示了
H3K36甲基化在调控肠上皮细胞身份维持与组织再生中的关键作用
。研究表明，
H3K36甲基化通过调控小肠上皮细胞类型相关基因表达，维持细胞身份稳定并调节再生能力。在损伤再生期间，H3K36甲基化表现出快速且可逆的动态变化。而H3K36甲基化缺失会导致细胞分化障碍、再生功能紊乱及H3K27me3异常扩展，破坏组织稳态。本研究为理解表观遗传调控下的细胞可塑性和再生提供新视角。
作者首先通过小鼠报告系统结合抗体对不同种类的肠上皮细胞
（IECs）
进行了分选，并利用CUT&Tag技术绘制了H3K36me3和H3K27me3在各细胞类型中的基因组分布。结果发现，
H3K36me3显著富集于决定细胞类型的相关基因上
。这种富集程度与细胞标志基因的表达一致，而H3K27me3的分布模式未能区分细胞类型相关基因，与H3K36me3呈负相关，符合二者拮抗关系。进一步分析表明，
H3K36me3的差异富集与细胞类型的关键功能密切相关，是细胞类型相关基因
（cell-type-associated genes）
表达的潜在主要调控因子
，但其对非细胞类型相关基因的调控作用有限。
为验证H3K36甲基化对肠上皮细胞命运的影响，作者构建了表达野生型H3.3或突变型H3.3
（H3K36M，抑制H3K36甲基化）
的转基因小鼠。在抑制H3K36甲基化后，肠隐窝-绒毛结构完整，但各细胞谱系表现出不同程度的分化和功能缺陷。例如，杯状细胞减少，潘氏细胞分化受损，吸收细胞的微绒毛高度和肌动蛋白含量下降。此外，作者还观察到内分泌细胞略微扩增而刷细胞减少的趋势。这些结果表明，
H3K36甲基化对细胞类型特异性基因的表达和分泌细胞的分化至关重要。
通过分析H3K36M小鼠的基因表达和组蛋白修饰，作者发现H3K36甲基化的抑制导致了细胞类型标志基因表达的下调，尤其是肠干细胞、杯状细胞和潘氏细胞相关的基因。此外，
H3K36me3的丧失促进了H3K27me3的扩展
，可能引发相关基因的沉默，进一步干扰了肠上皮细胞的稳态。这些发现表明，
H3K36甲基化不仅在特定基因的表达调控中发挥作用，还在抑制不当的基因沉默和确保肠道细胞类型的稳态中起着重要作用
。
进一步探究了H3K36甲基化缺失对细胞类型相关基因表达的影响后，作者发现抑制H3K36甲基化导致H3K36M小鼠肠道中积累了大量异常的分泌前体细胞，这些细胞还表达了杯状细胞和潘氏细胞的标记物。单细胞RNA测序分析表明，H3K36M小鼠中积累的异常分泌前体细胞具有未成熟的潘氏细胞相关特征，并在肠绒毛中异常分布。这些结果表明，
H3K36甲基化的丧失破坏了肠道分泌细胞的成熟进程
。
接下来，为排除H3K36M的非特异性组织效应，作者构建了肠道特异性H3K36M小鼠及相应的类器官模型，发现H3K36M导致的表型变化主要是由于肠上皮细胞中的H3K36甲基化缺失，而非其他组织缺陷的次级效应。作者还发现H3K36M小鼠和类器官中上调的基因具有与再生和胎儿状态相关的转录特征，表明
H3K36甲基化抑制可能促使细胞进入类似于发育初期或损伤后的再生状态
。此外，H3K36M表达引起H3K27me3在细胞类型相关基因上的扩展，进而解除Polycomb对这些基因的抑制，激活其表达。这些结果表明，
H3K36甲基化丧失通过改变表观遗传标记的分布，诱导了再生反应，在细胞命运调控中发挥了关键作用。
通过靶向Nsd2
（负责沉积H3K36me1/2）
或Setd2
（负责沉积H3K36me1/2/3）
的shRNA转染肠道类器官而抑制H3K36甲基化后，作者发现Nsd2和Setd2的敲低分别导致H3K36me2和H3K36me3水平的降低，
抑制这些甲基转移酶同样导致了细胞类型相关基因的表达下降和再生基因的表达上升
。此外，抑制甲基转移酶后的表型与H3K36甲基化丧失引发的转录重编程机制一致，进一步证明了H3K36甲基化在维持细胞类型特异性基因表达方面发挥着重要作用。
为了确定H3K36甲基化在损伤诱导的肠道再生中的作用，作者通过辐射损伤小鼠肠道上皮，并对样本进行了RNA-seq和CUT&Tag分析。结果表明，H3K36me3在再生基因上的富集减少，与H3K27me3的增加形成对比。在恢复过程中，这些变化逐渐回到稳态水平，表明
染色质修饰的重塑是损伤后再生过程的重要组成
。此外，
抑制H3K36甲基化能为肠道上皮细胞的再生提供预激活条件
，促进了再生基因的激活，甚至即使没有损伤也足以诱导再生状态。
综上所述，本研究揭示了
H3K36甲基化通过调控细胞类型相关基因的表达，在小肠上皮中维持细胞身份稳定并调节再生能力。H3K36甲基化的缺失会导致细胞分化和功能紊乱，以及抑制性标记H3K27me3的异常扩展，从而破坏组织稳态。H3K36甲基化在维持细胞专门化和再生平衡中发挥了核心作用，这一机制为理解表观遗传调控细胞可塑性和再生提供了新视角。
https://www.nature.com/articles/s41556-024-01580-y
制版人：十一
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