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Nat Commun丨刘晶团队与廖宝剑课题组合作建立SALL4单因子介导的体细胞重编程方法

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-19 08:30

正文

自诱导多能干细胞（iPSCs）技术问世以来，研究者们相继开发出效率更高、时间更短及安全性更优的诱导方法。其中，转录因子具备相对高效和快速诱导细胞命运转变的能力。iPSCs能够通过多种重编程因子组合诱导获得，包括过表达Yamanaka因子OCT4、SOX2、KLF4和c-MYC（OSKM），亦或它们的简化组合，如OKS、OK或OM【1-4】。而OCT4被认为是实现iPSCs诱导所需的核心重编程因子。以往的研究报道了多种OCT4介导的iPSCs诱导方法【5-8】。然而，除OCT4外，其他因子是否能够单独介导体细胞重编程，目前尚不明确。随着重编程方法的不断改进，有许多新型转录因子组合先后被报道，其中SALL4是一个较为重要的重编程因子，能够提升体细胞重编程的诱导效率【9-11】。另外，SALL4对胚胎多能干细胞（ESCs）的增殖、自我更新和多能性维持也有着重要的作用【12-13】。故而，SALL4是一个潜在的能够单独诱导体细胞向iPSCs重编程的转录因子。

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘晶课题组与广州医科大学附属第五医院廖宝剑教授团队合作在Nature Communications在线发表了题为 Reconstitution of Pluripotency from Mouse Fibroblast through SALL4 Overexpression 的研究论文。研究团队开发了一套基于SALL4单因子的体细胞重编程方法，成功将小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）重编程为iPSCs。在此基础上，研究描绘了SALL4介导体细胞重编程过程中的转录组、染色质可及性动态变化以及DNA结合位点特征，发现了多种新的重编程促进因子。通过与OCT4和OCT4+SALL4诱导体系的比较，研究进一步探索了SALL4和OCT4协同提高重编程效率的机制，揭示了这两种转录因子通过对重编程促进基因和抑制基因的双重调控，有效地提高了重编程效率。

作者首先以其团队前期开发的重编程诱导培养基为基础，筛选出了能够促进SALL4介导体细胞重编程的化合物，即ALK5抑制剂Repsox，并通过对培养成分的进一步优化，开发出了具有更高效率和稳定性的诱导培养基，作者将其命名为iCD4。在iCD4条件下，仅需10天，SALL4即可将MEFs重编程为iPSCs。另外，iCD4也能支持OCT4单因子介导的体细胞重编程。作者发现，SALL4蛋白中锌指簇的缺失会使SALL4诱导重编程的能力完全丧失。而SALL4对NURD复合物招募能力的缺失能够加速OCT4-GFP阳性克隆出现的时间，但所获得的克隆很难进一步衍生出稳定的iPSCs细胞系。这些实验表明SALL4的DNA结合及NURD招募能力对iPSCs诱导具有重要作用。作者进一步通过IP-MS鉴定了重编程过程中与SALL4互作的蛋白，发现了SALL4富集出了多种染色质重塑复合物，暗示着其潜在的染色质调控能力。

基于上述实验结果，研究团队通过多组学测序的方法描绘了SALL4介导体细胞重编程过程中的转录组、染色质可及性动态变化以及DNA结合位点特征。首先，通过对转录组的分析得到了SALL4特异性调控的基因集。接下来，通过对SALL4的DNA结合位点特征的鉴定，发现了AP1家族基因相关Motif“TGACTCA”被SALL4高度富集，表明SALL4可能会结合到或被招募到相关基因位点，从而调控相关基因的表达。实验发现，多数AP1家族基因能够抑制重编程。值得注意的是，AP1家族基因Batf显著促进了SALL4介导的体细胞重编程。作者发现将BATF的DNA结合结构域融合到SALL4蛋白上也能促进重编程，且这种融合能够挽救SALL4锌指簇1或2缺失导致的重编程抑制，表明SALL4可能通过调控BATF Motif相关基因从而促进重编程。最后，作者通过ATAC-seq分析了SALL4介导重编程过程中的染色质可及性动态变化，通过结合转录组分析，鉴定出了潜在的SALL4下游调控基因，并进一步发现了Esrrb, Rsk1及Nkx6.1对SALL4介导体细胞重编程的促进作用。

另外，作者发现共同过表达SALL4和OCT4可协同提高重编程效率。为解释其机制，作者对SALL4、OCT4及OCT4+SALL4（O+S）三种诱导系统的基因表达情况进行了分析，通过对基因表达模式进行分类，发现在SALL4和OCT4单因子诱导体系中存在一些与在ESCs中表达水平差异较大的基因集，而SALL4和OCT4的共同作用可调控这些基因的表达水平更趋向于ESCs。基于上述分类结果，作者挑选并验证了一些代表性基因在重编程中的作用。结果显示，在O+S体系中，SALL4特异性激活了Rsk1、Esrrb和Tfap2c的表达，而OCT4则激活了Sox2的表达，从而促进了O+S诱导的重编程。此外，O+S体系中的重编程障碍基因也分别受到SALL4和OCT4的抑制。例如，SALL4抑制了Mdnal的表达，而OCT4下调了Sbsn的表达。

综上所述，本项研究建立了一种SALL4单因子介导小鼠体细胞重编程的方法，利用多组学技术研究了此过程中的转录组、染色质可及性动态变化以及DNA结合位点特征。同时，通过对比不同的诱导体系，揭示了SALL4和OCT4在重编程中协同作用的部分机制，强调了SALL4在重编程过程的作用及重要性，为理解细胞命运转变的机制提供了新视角。

中国科学院广州生物医药与健康研究院刘晶课题组科研助理肖立展、硕士毕业生黄子芬和武子轩为本论文的共同第一作者，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘晶研究员、助理研究员王鲁勤及广州医科大学附属第五医院廖宝剑教授为通讯作者。

SALL4单因子诱导体细胞重编程及SALL4与OCT4协同促进重编程机制模式图

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54924-5

制版人：十一

参考文献

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