Cell追踪干细胞分化的轨迹

　　

生物通报道  胚胎干细胞具有变成任何身体细胞类型的潜能，其命运是由基因，结合DNA的蛋白质和修饰这些基因与蛋白质的分子之间复杂的相互作用所决定。

在发表于9月13日《细胞》（Cell）杂志上的一篇新研究论文中，来自麻省理工学院和加州大学旧金山分校的生物学家们概述了这些相互作用是如何指导干细胞发育形成成熟的心脏细胞的。该研究首次详尽地追踪了随时间心脏细胞的分化，有可能帮助科学家们更好地了解特异的突变是如何导致先天性心脏缺陷的，它还有可能帮助尝试构建出人工心脏组织。

“我们希望能够从我们的研究中收集到一些信息，将帮助我们获得对心脏发育的新认识，并使得有可能利用培养皿中生成的细胞来替换由于衰老和疾病而丧失的心脏细胞，”论文的资深作者、麻省理工学院生物学副教授Laurie Boyer说。

Boyer实验室侧重研究了不同细胞类型中DNA是如何组织和调控产生构成人体的多种细胞的。

在细胞内，DNA缠绕着组蛋白，帮助控制特定时间哪些基因可以接近。组蛋白可能标记上不同的化学修饰，从而影响了特异的DNA片段是暴露或是隐藏。

论文的主要作者、Boyer 实验室博士后Joe Wamstad 说：“这些修饰导致的结构性改变可以作为其他因子结合的停泊位点。它有可能使得DNA更加容易或不容易为其他因子所操纵，有助于确保你不会在错误的时间表达某个基因。”

在这篇论文中，研究人员发现当干细胞分化时组蛋白修饰模式发生了快速的改变。此外，这些模式还揭示了在不同阶段处于活性状态的基因，以及控制这些基因的调控元件。

追踪发育

为了发现这些模式，研究人员在培养皿中培育了小鼠胚胎干细胞，并用驱动心脏细胞发育的蛋白质和生长因子来处理这些细胞。从胚胎干细胞到完全分化的心肌细胞，这些细胞可通过四个不同的阶段进行追踪。在每一个阶段，研究人员采用了高通量测序技术分析了组蛋白修饰，确定了哪些基因正在表达。

“基本上是在培养皿中随时间观察分化，通过拍摄快照，并将它们全部放到一起尝试了解了心脏定型复杂过程的调控机制，”Boyer说。

研究人员发现他们可以通过比较基因的修饰模式以及它们是否在特异时间获得转录来确定具有相关功能的基因群。他们还确定了远离调控基因的调控区域。其中许多的区域定位在从前被认为是“垃圾”的DNA区域中。近期的研究揭示许多这样的DNA实际上在调控基因表达中起重要作用。

“我们正开始将基因与有可能激活它们的调控元件连接起来，并开始绘制控制和驱动这些心脏特异性程序的分子线路图。这些DNA元件对于开启你生成心脏细胞所需要的所有基因至关重要，”Wamstad说。

研究小组还确定了似乎在调控区域协同作用驱动心脏发育重要的基因转录的转录因子。其中许多的转录因子缺陷过去证实与先天性心脏缺陷相关联。

连接疾病与DNA

以往的全基因组测序研究揭示了一些在先天性心脏病或心血管疾病患者中更为常见的遗传变异。该研究获得的数据应该可帮助研究人员找出这些变异导致那些疾病的原因。

哈佛大学医学院医学教授、哈佛大学干细胞研究所成员Richard Lee说研究结果还可能帮助研究人员找出如何生成供可能的治疗用途的心脏细胞。

Lee说：“新研究提供了心脏细胞发育过程的一个线路图，是一个重大的成果。它证实心脏细胞是通过协调的基因表达转变而形成的，并揭示了这些转变的控制机制。该研究将帮助我们了解如何生成新的心脏细胞，这一直是治疗心脏衰竭的一个重大的挑战。”

研究人员现正寻找参与控制心脏分化的其他转录因子组合。他们还在研究他们发现的调控序列中的变异以找到这些序列有可能导致先天性心脏病或生命晚期心血管疾病易感性的机制。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Dynamic and Coordinated Epigenetic Regulation of Developmental Transitions in the Cardiac Lineage

Heart development is exquisitely sensitive to the precise temporal regulation of thousands of genes that govern developmental decisions during differentiation. However, we currently lack a detailed understanding of how chromatin and gene expression patterns are coordinated during developmental transitions in the cardiac lineage. Here, we interrogated the transcriptome and several histone modifications across the genome during defined stages of cardiac differentiation. We find distinct chromatin patterns that are coordinated with stage-specific expression of functionally related genes, including many human disease-associated genes. Moreover, we discover a novel preactivation chromatin pattern at the promoters of genes associated with heart development and cardiac function. We further identify stage-specific distal enhancer elements and find enriched DNA binding motifs within these regions that predict sets of transcription factors that orchestrate cardiac differentiation. Together, these findings form a basis for understanding developmentally regulated chromatin transitions during lineage commitment and the molecular etiology of congenital heart disease.