同济大学973项目PNAS解析iPS机制

【字体: 时间:2013年02月21日 来源:同济大学

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  去年年底同济大学生命科学与技术学院的研究人员发表文章,指出了Sox2促进诱导多能干细胞形成的miRNA/DNMT机制,近期这一研究组又在这一基础上,再次发现了miR-200/ZEB2在关键转录因子Oct4/Sox2诱导iPSC细胞形成中的重要功能和作用机制。这一成果公布在PNAS杂志上。

  

生物通报道:2012年,诺贝尔生理学与医学奖授予了包括iPSC在内的细胞重编程技术研究领域。其中iPSC具有和胚胎干细胞(ESC)类似的特征和功能,却极大程度避免了ESC研究和应用中面临的伦理和排斥等诸多障碍。不过虽然诺奖得主Yamanaka教授及后来的大量研究都表明Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc(OSKM)等转录因子对iPSC的形成具有至关重要的作用,但是对于上述转录因子激发iPSC形成的机制尚不明确。

去年年底同济大学生命科学与技术学院的研究人员发表文章,指出了Sox2促进诱导多能干细胞形成的miRNA/DNMT机制,近期这一研究组又在这一基础上,再次发现了miR-200/ZEB2在关键转录因子Oct4/Sox2诱导iPSC细胞形成中的重要功能和作用机制。这一成果公布在PNAS杂志上。

研究人员发现在iPS细胞形成过程中,miR-200家族的miRNAs表达水平呈现逐步升高的趋势。miR-200家族包括5个miRNAs,分别位于染色体Chr.4和Chr.6,形成两个簇,这两个簇如何协同作用是非常有趣的科学问题。

通过深入研究,他们发现iPS细胞形成中起关键作用的Oct4和Sox2分别结合到该miRNAs家族簇的两个启动子区域协同激活miR-200s的转录表达,从而在早期阶段有效促进iPS细胞的形成。研究还发现,miR-200直接作用的下游基因是ZEB2,从而也揭示了ZEB2在iPS细胞形成中的新功能。Oct4/Sox2-miR-200-ZEB2通路调节iPS细胞形成的研究成果丰富了人们对iPS细胞形成机制网络的了解。

这项研究得到科技部973项目、科技部国际合作项目、国家自然科学基金委项目、教育部创新团队以及上海市科委项目等的支持。由同济大学生命科学与技术学院康九红教授领导,汪贵英老师和博士生郭旭东共同完成的。

此前这一研究组还曾在Stem Cells杂志上首次发现小鼠胚胎成纤维细胞内源性的一个小非编码RNA能够在诱导过程中特异性地作用于p53,在一定程度上降低P53的表达,从而提高诱导效率。

之前有研究显示抑制p53可以显著提高iPS细胞诱导效率,同时p53在体细胞重编程中还具有保证获得的iPS细胞基因组完整性的作用。那么,在iPS细胞形成过程中,细胞内精细调控p53,以维持其在重编程效率和细胞基因组稳定性维持二方面的功能平衡的机制是什么呢?

在这篇文章中,研究人员首次发现小鼠胚胎成纤维细胞内源性的一个小非编码RNA,miR-138能够在诱导过程中特异性地作用于p53,在一定程度上降低P53的表达,从而提高诱导效率。多能性分析检测表明利用miR-138和四因子诱导得到的iPS具有与胚胎干细胞类似的多能性,并且具有激活的Dlk1-Dio3区域。

这显示miR-138是体细胞重编程过程中p53的内源调节者,既可以显著提高iPS诱导效率,也没有牺牲iPS细胞的质量。这一研究成果增加了我们对iPS形成机制的了解,对重编程过程中如何保证获得的iPS细胞基因组稳定性等品质也具有一定的指导意义。

原文摘要:

Critical regulation of miR-200/ZEB2 pathway in Oct4/Sox2-induced mesenchymal-to-epithelial transition and induced pluripotent stem cell generation

Fibroblasts can be reprogrammed to induced pluripotent stem cells (iPSCs) by application of transcription factors octamer-binding protein 4 (Oct4), SRY-box containing gene 2 (Sox2), Kruppel-like factor 4 (Klf4), and c-Myelocytomatosis oncogene (c-Myc) (OSKM), but the underlying mechanisms remain unclear. Here, we report that exogenous Oct4 and Sox2 can bind at the promoter regions of mir-141/200c and mir-200a/b/429 cluster, respectively, and induce the transcription activation of miR-200 family during the OSKM-induced reprogramming. Functional suppression of miR-200s with specific inhibitors significantly represses the OSKM-caused mesenchymal-to-epithelial transition (MET, an early event in reprogramming of fibroblasts to iPSCs) and iPSC generation, whereas overexpression of miR-200s promotes the MET and iPSC generation. Mechanistic studies showed that miR-200s significantly repress the expression of zinc finger E-box binding homeobox 2 (ZEB2) through directly targeting its 3′ UTR and direct inhibition of ZEB2 can mimic the effects of miR-200s on iPSC generation and MET process. Moreover, the effects of miR-200s during iPSC generation can be blocked by ZEB2 overexpression. Collectively, our findings not only reveal that members of the miR-200 family are unique mediators of the reprogramming factors Oct4/Sox2, but also demonstrate that the miR-200/ZEB2 pathway as one critical mechanism of Oct4/Sox2 to induce somatic cell reprogramming at the early stage.
 

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