發(fā)布時間：2022-05-24
5月19日，中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉晶課題組在Nature Communications在線發(fā)表了題為BMP4 drives primed to naïve transition through PGC-like state的研究論文，該論文發(fā)現BMP4驅動的干細胞始發(fā)態(tài)-原始態(tài)轉變（Primed-Naïve Transition, PNT）經歷了原始生殖細胞樣中間態(tài)（PGC-like state，PGCLC），并揭示了Primed干細胞轉變?yōu)镻GCLC細胞的表觀遺傳障礙，建立了體外產生原始生殖細胞的新方法。
在小鼠等哺乳動物中，多能干細胞存在兩種穩(wěn)定狀態(tài)：原始態(tài)（Naïve）和始發(fā)態(tài)（Primed），分別代表著胚胎著床前后的發(fā)育狀態(tài)。其中Naïve態(tài)多能干細胞具有形成生殖系細胞的能力。由于可在體外對胚胎著床前后狀態(tài)進行模擬，多能干細胞的PNT轉換研究一直是干細胞及發(fā)育生物學研究領域的熱點。
劉晶課題組前期建立了BMP4驅動的高效PNT轉變體系（BMP4 induced PNT，BiPNT；Nature Cell Biology,2020），但該過程具體的細胞命運變化軌跡和調控機制仍不清楚。在本研究中，研究人員利用單細胞轉錄組測序技術（scRNA-seq），深入解析了BMP4介導的PNT過程細胞命運轉變精細軌跡。結果表明，BiPNT過程存在兩個主要的細胞命運分支：Naïve多能性分支和表達滋養(yǎng)層相關基因的trophoblast-like分支。通過對Naïve多能性分支進行深入分析，研究人員意外發(fā)現，在Naïve多能性分支早期，原始生殖細胞（primordial germ cell，PGC；精子和卵子的前體細胞）的主要分子標記物,如Prdm1,Prdm14,Tfap2c,Nanos3等大量富集。借助PGC報告細胞系（BV+SC+，分別指示PRDM1與DPPA3）、細胞分選等活細胞分析技術，研究人員將Primed態(tài)細胞誘導產生的BV+SC+細胞移植到雄性生殖缺陷小鼠睪丸中，發(fā)現這些移植的細胞可以發(fā)育為精子。因此，本研究建立了在體外從Primed態(tài)多能干細胞高效獲取原始生殖細胞的方法。
傳統觀點認為，體外培養(yǎng)的Primed態(tài)多能干細胞（EpiSC）對應于小鼠6.5天早期胚胎，已喪失PGC特化能力。在BiPNT體系中，PGC-like細胞的產生，提示該過程克服了Primed態(tài)向PGC-like細胞轉變的表觀遺傳障礙。針對這一現象，研究人員進一步證實BiPNT誘導過程中DOT1L抑制劑的使用是促使EpiSC產生PGC-like的關鍵因素。后續(xù)通過RNA-seq、ATAC-seq和ChIP-seq實驗，研究人員最終證明DOT1L抑制劑通過調節(jié)譜系調控因子如Gata3和Gata6位點H3K79me2修飾狀態(tài)及基因表達，進而抑制滋養(yǎng)外胚層細胞命運，促進原始生殖細胞命運。
該研究發(fā)現了小鼠PNT轉變新型中間態(tài)，建立了Primed態(tài)干細胞高效轉變?yōu)镻GCLC細胞的方法，揭示了Primed態(tài)干細胞轉變?yōu)镻GCLC細胞的表觀遺傳障礙，為PGC形成與特化的機制和功能研究提供了極好的體外研究模型。
廣州健康院博士后余勝勇和周純華、生物島實驗室何江平副研究員為論文的共同第一作者。廣州健康院劉晶研究員，西湖大學裴端卿教授和生物島實驗室曹尚濤副研究員為論文的共同通訊作者。本研究得到了南方醫(yī)科大學趙小陽教授，復旦大學藍斐教授和廣州實驗室張滿研究員的幫助。該研究成果得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省科技廳、生物島實驗室等項目的資助。
體外誘導原始生殖細胞的新方法和機制
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