先锋转录因子GATA6与SOX17、OCT4/SOX2的分子及上位相互作用调控核小体动态与细胞分化

《Nature Communications》：Molecular and epistatic interactions between pioneer transcription factors shape nucleosome dynamics and cell differentiation

本研究针对先驱转录因子如何协同调控染色质开放与细胞命运转变这一关键科学问题，通过时序性分析GATA6诱导原始内胚层分化的过程，揭示了GATA6通过利用多能性转录因子预先建立的脆弱核小体区域快速结合，并与SOX17、OCT4/SOX2等先驱因子形成复杂互作网络，共同驱动核小体重塑和基因表达重编程的分子机制，深化了对先驱转录因子协作调控细胞分化的理解。

　　

在生命早期发育过程中，一个核心的谜团是：一个具有多能性的细胞如何选择并稳定地走向特定的命运？这一过程依赖于细胞核内染色质状态的深刻重组。染色质的基本单位——核小体，通常会紧密包裹DNA，形成一道物理屏障，阻止大多数转录因子（Transcription Factors, TFs）与其靶标序列结合。然而，有一类特殊的“先驱”转录因子（Pioneer Transcription Factors）具备突破这一屏障的非凡能力，它们能够结合到核小体包裹的DNA模体上，启动染色质开放，从而“许可”新的基因调控程序，驱动细胞分化。GATA家族转录因子，尤其是GATA6，在胚胎发育，特别是原始内胚层（Primitive Endoderm, PrE）的形成中被认为是关键的上游调控因子。但先驱因子并非孤军奋战，其作用的复杂性、与其他因子的依赖性以及时间动态效应仍不清楚。例如，在多能性细胞向PrE分化时，除了GATA6，多能性因子如OCT4、SOX2等也被证明参与其中，但它们与GATA6如何互动，是相互促进还是相互制约？这些复杂的相互作用如何具体影响染色质结构和基因表达，从而精确调控分化进程？为了解决这些问题，由Rémi-Xavier Coux、Agnes Dubois等人领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。

为了开展这项研究，研究人员主要应用了几项关键技术：他们建立了可在多能性胚胎干细胞（ES cells）中通过多西环素（Doxycycline, Dox）诱导表达GATA6的细胞系，从而在生理水平上模拟分化过程；利用RNA测序（RNA-seq）全面分析了分化过程中基因表达的动态变化；通过染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）绘制了GATA6、SOX17、OCT4、SOX2和ESRRB等关键转录因子在全基因组范围内的结合动态；采用ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing）评估染色质可及性的变化；并利用微球菌核酸酶测序（MNase-seq）在不同酶切条件下精确解析了核小体的稳定性、位置和有序性。此外，研究还结合了siRNA介导的基因敲低和化学诱导分化模型，并利用机器学习方法分析了影响GATA6结合动态的关键因素。

结果

1. GATA6结合的不同动态与不同的基因调控结果相关

研究人员发现，GATA6的诱导表达触发了多能性基因（如Nanog, Esrrb）的快速下调和中胚层基因（如Sox17, Gata4）的快速上调。通过全基因组定位研究，他们识别出GATA6结合位点的三种主要动态模式：早期且持续结合（Early&Constant）、瞬时结合（Transient）和晚期结合（Late）。这些结合动态与基因表达变化的时序和模式密切相关：早期持续结合位点富集在快速激活的基因附近，而瞬时结合位点则与早期下调的基因相关，晚期结合位点与晚期激活的基因相关联。这表明GATA6结合的时间动态直接决定了其调控基因表达的时机和方向。

2. 染色质可及性和DNA结合模体是GATA6结合动态的基础

分析表明，GATA6的快速招募（早期和瞬时结合）与分化前ES细胞中已存在的染色质可及性高度相关。同时，不同结合动态区域的DNA模体组成也存在差异：早期持续结合区域富含高质量的GATA6和SOX17模体；晚期结合区域更倾向于仅有高质量的SOX17模体；而瞬时结合区域则显著富集多能性转录因子（OCT4/SOX2, ESRRB）的模体，并且这些区域在分化前已被多能性因子广泛占据。机器学习分析进一步证实，DNA模体和染色质状态是预测GATA6结合动态分类的良好指标。

3. 具有脆弱核小体的多能性TF结合位点被GATA6强力靶向

深入研究显示，在分化前已被多能性TF结合的区域，即使其GATA6模体质量相对一般，GATA6也能实现最快、最强劲的结合。通过分析不同MNase消化条件下的核小体图谱，研究人员发现这些区域在低MNase条件下显示出明显的核小体信号，但在高MNase条件下该信号消失，呈现出典型的核小体缺失区域特征，表明多能性TF（如OCT4/SOX2）的结合导致其靶位点形成了“脆弱核小体”（fragile nucleosomes）。这种核小体不稳定性为GATA6的快速、稳健结合提供了有利条件。

4. SOX17的招募支持GATA6的长期结合并促进广泛的核小体重塑

GATA6能快速激活SOX17的表达。研究发现，SOX17被大量招募到GATA6的结合位点，特别是早期持续和晚期结合位点，而很少出现在瞬时结合位点。SOX17的招募与染色质可及性的快速、强劲增加以及核小体的深刻重组密切相关。在SOX17结合的区域，GATA6诱导后迅速出现一个中央的、看似核小体缺失的区域（实际为脆弱核小体），两侧则排列着有序的核小体阵列。这表明SOX17不仅巩固了GATA6的结合，还极大地增强了其引发的染色质重塑效应。

5. OCT4/SOX2促进GATA6/SOX17靶点的核小体重塑和PrE基因激活

出乎意料的是，在GATA6诱导分化过程中，多能性TF（特别是OCT4/SOX2）并非简单地从其结合位点消失，而是在一部分GATA6靶点（尤其是早期持续结合且招募SOX17的区域）被“异位”地重新招募。这种异位招募与更强的GATA6/SOX17结合、更高的染色质可及性获得以及更显著的核小体有序化相关，并且这些区域强烈富集于GATA6诱导早期激活的基因附近。这表明GATA6和SOX17能够“重新利用”残留的多能性TF，使其服务于分化过程，促进PrE基因的快速激活。

6. OCT4促进GATA6和SOX17的活性以激活PrE相关基因

为了验证OCT4的功能必要性，研究人员在GATA6诱导的同时敲低OCT4。结果发现，OCT4的缺失损害了PrE分化效率，并导致一部分GATA6早期应答基因（包括Gata6自身）的表达下调。ChIP-seq分析显示，OCT4敲低导致一部分GATA6靶点（特别是那些原本结合或异位招募多能性TF的区域）的GATA6和SOX17结合水平降低。进一步利用化学诱导分化模型和OCT4快速降解系统证实，在分化早期急性去除OCT4会导致细胞大量死亡，并严重阻碍GATA6的表达和PrE分化，而在分化较晚阶段去除OCT4则影响较小。这表明OCT4对于早期细胞存活和成功启动GATA6介导的分化程序至关重要。

结论与讨论

本研究系统性地揭示了先驱转录因子GATA6通过多种模式协同其他先驱因子（SOX17, OCT4, SOX2）驱动细胞分化的精细机制。GATA6既可充当“机会主义者”，利用多能性TF预先建立的脆弱核小体区域快速结合并关闭多能性增强子；也可作为真正的“先驱者”，直接结合封闭染色质，并与SOX17等因子协作，启动深刻的核小体重塑，其特征是形成中央脆弱核小体，两侧为有序核小体阵列。OCT4/SOX2在这一过程中被重新利用，不仅最大化GATA6/SOX17的活性，还通过正反馈环路促进Gata6自身的表达。这些分子和上位相互作用（epistatic interactions）共同构成了一个复杂的调控网络，使得GATA6能够多任务、按时序地执行基因抑制、染色质许可和基因激活等功能，最终精确引导原始内胚层分化。该研究强调了先驱转录因子在重塑基因调控网络中的协作本质，其意义超越了单纯“打开”染色质这一结构特性，而是通过复杂的相互作用网络赋予细胞获得新身份所需的全面转录重编程能力。