OCT4—— 多能干细胞应激生存与分化的关键 “翻译调控官”

为解决 PSCs 如何在应激条件下生存及 OCT4 对其翻译调控机制的问题，研究人员开展了相关研究。结果发现 OCT4 作为抗应激 RBP，调节 PI3K/AKT 通路基因翻译。该研究为理解 PSCs 应激反应机制提供新思路，强烈推荐科研读者阅读。

　　

在生命科学的研究领域中，人类胚胎干细胞（hESCs）就像一个个充满魔力的 “小精灵”，它们具有自我更新和分化的神奇能力，这使得它们在再生医学领域充满了无限的潜力，仿佛是一把能打开治愈许多疑难病症大门的 “钥匙”。然而，尽管科学家们在探索 hESCs 在正常培养条件下维持自我更新和多能性的分子机制方面已经做了大量研究，就像在黑暗中点亮了许多盏明灯，但仍有一个重要的问题如同迷雾一般笼罩着大家：这些 “小精灵” 在面对压力环境时，是如何生存下来的呢？

要知道，hESCs 的命运与 PI3K/AKT 信号通路密切相关。这个信号通路就像一个精密的 “信号总站”，它对 hESCs 的自我更新、存活和分化起着至关重要的调节作用。一旦这个 “信号总站” 出现异常，hESCs 的 “正常生活” 就会被打乱，可能导致细胞增殖异常、分化方向错误等一系列问题。之前的研究发现，OCT4（一种由 POU5F1 基因编码的关键蛋白）与 AKT1 之间存在着复杂的调控关系。OCT4 在细胞核中可以结合到 AKT1 的启动子上，抑制其转录，但奇怪的是，当 OCT4 被敲低时，AKT1 的 mRNA 水平升高了，可蛋白质水平却没有相应增加，这就像是一个神秘的 “谜题”，暗示着在转录后或翻译水平上存在着未知的调控机制。

同时，转录后调控在基因表达调控中占据着重要地位，它就像一个精细的 “调音师”，通过控制 mRNA 的剪接、运输、存储、编辑、周转和翻译等过程，调节着蛋白质的产生。而 RNA 结合蛋白（RBPs）则是这个 “调音师团队” 中的重要成员，它们参与了众多生理过程的调控。有研究暗示，OCT4 可能也是一种 RBP，但它在转录后调控中的具体作用还不清楚，这又为这个研究领域增添了一份神秘色彩。

为了揭开这些谜团，来自相关研究机构的研究人员展开了深入探索，并在《Stem Cell Research & Therapy》期刊上发表了题为 “OCT4 promotes IRES-mediated translation of PI3K/AKT-pathway genes to counteract stress and regulate lineage specification in pluripotent stem cells” 的论文。他们发现，OCT4 是一种新型的抗应激 RBP，它能够促进 PI3K/AKT 通路基因的内部核糖体进入位点（IRES）介导的翻译起始，这对于多能干细胞（PSCs）在应激条件下的自我更新和存活至关重要。这一发现就像是在黑暗中找到了一颗 “璀璨的星星”，为我们理解 PSCs 的应激反应机制提供了新的方向，也为再生医学的发展带来了新的希望。

在这项研究中，研究人员运用了多种先进的技术方法。首先是高通量测序的交联免疫沉淀 cDNA 文库（HITS-CLIP）技术，它就像一个 “基因定位器”，能够帮助研究人员在全基因组范围内识别 OCT4 与 RNA 的相互作用位点；其次是核糖体新生链复合物结合 RNA 测序（RNC-seq）和 mRNA 测序（RNA-seq）联合分析技术，这一技术如同 “基因翻译探测器”，可以评估 OCT4 在缺氧 PSCs 翻译调控中的作用；还有 OCT4 蛋白质相互作用组分析技术，它像是 “蛋白质关系探测器”，用于寻找调节不依赖帽的翻译起始的 OCT4 结合伙伴；此外，研究人员还采用了杂合敲入 N 端标签（HKINT）方法，这种方法能够特异性地破坏 mRNA 的 5′-UTR 二级结构，并标记其蛋白质产物，为研究特定基因的功能提供了有力工具。

下面我们来详细看看研究人员的具体发现：

1. OCT4 通过转录后机制正向调节 AKT1 蛋白水平：研究人员通过敲低 hECC 细胞系 NCCIT 以及 hESC 细胞系 H1 和 H9 中的 OCT4，发现 AKT1 的 mRNA 水平显著上调，但其蛋白质水平却相对稳定或略有下降。这表明 OCT4 对 AKT1 的表达调控在转录和转录后水平存在差异。此外，研究人员通过亚细胞分级分离实验发现，在 hESCs 中，约 10% 的 OCT4 存在于细胞质中，这为 OCT4 参与转录后调控提供了可能，就像发现了 OCT4 在细胞中发挥作用的一个 “秘密基地”。
2. 在体内通过 HITS-CLIP 技术解析 OCT4 - RNA 相互作用组：研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术编辑的 H1 细胞系（TAP-OCT4 H1 细胞）进行 HITS-CLIP 实验。结果显示，OCT4 能够广泛地与 mRNA 的多个区域结合，包括 5′-UTR、编码序列（CDS）、内含子、3′-UTR 等，并且在 5′-UTR 区域有显著的富集。通过对结合位点的分析，还发现了 OCT4 结合的基序主要是富含 GC 的序列，这些序列在翻译起始位点附近更为富集，这暗示着 OCT4 可能参与了翻译起始过程，就像 OCT4 在基因翻译的 “起跑线上” 发挥着重要作用。
3. OCT4 与多个 PI3K/AKT 通路基因的 RNA 结合：通过基因本体（GO）分析和 KEGG 通路分析，研究人员发现 OCT4 结合的 RNA 在 RNA 代谢、翻译、应激反应等过程中显著富集，并且 OCT4 与多个 PI3K/AKT 通路基因的转录本结合，如 PIK3CD、PIK3R2、AKT1 等。这表明 OCT4 可能通过与这些基因的 RNA 结合，调控 PI3K/AKT 通路的功能，就像 OCT4 在这个重要的信号通路中扮演着 “调控员” 的角色。
4. OCT4 与调节不依赖帽和 / 或依赖帽但不依赖 EIF4F 的翻译起始的蛋白质相互作用：研究人员在研究 OCT4 的蛋白质相互作用组时，采用了温和的细胞裂解条件和改进的方法，避免了核酸酶的干扰，从而更专注于细胞质中的 OCT4。通过这种方法，他们鉴定出了 27 种与 OCT4 相互作用的蛋白质，其中包括经典的 IRES 反式作用因子（ITAF）HNRNPA1 和 EIF3G 等。这些蛋白质参与了不依赖帽和 / 或依赖帽但不依赖 EIF4F 的翻译起始过程，这说明 OCT4 可能处于一个与翻译起始相关的蛋白网络中，影响着基因的翻译过程，仿佛 OCT4 是这个复杂翻译网络中的一个关键 “节点”。
5. PI3K/AKT 通路基因的 mRNA 被 OCT4 和与 OCT4 相互作用的 RBPs 共同结合：研究人员发现，在与 OCT4 相互作用的 RBPs 中，HNRNPA1 和 EIF3G 与 OCT4 共同结合了多个 PI3K/AKT 通路基因的 mRNA。通过对这些基因 mRNA 上的结合位点分析，发现存在部分重叠或相邻的结合峰，这进一步支持了 OCT4、HNRNPA1 和 EIF3G 可能作为翻译起始复合物的一部分，调节 PI3K/AKT 通路基因翻译水平的观点，就像它们共同组成了一个 “翻译调节小组”，协同工作调节基因的翻译。
6. OCT4 调节缺氧 hESCs 中 PI3K/AKT 通路基因的翻译比率：在缺氧条件下，研究人员通过 RNC-seq 和 RNA-seq 联合分析发现，与全局基因相比，PI3K/AKT 通路基因的翻译比率在 OCT4 敲低后下降更为明显，这表明 OCT4 在维持或促进 PI3K/AKT 通路基因在缺氧应激下的翻译中起着重要作用。进一步的 GO 和 KEGG 通路分析揭示了 OCT4 在调节翻译起始、应激反应、细胞凋亡等过程中的关键作用，仿佛 OCT4 是细胞应对缺氧应激时翻译调控的 “指挥官”。
7. OCT4 促进 AKT1 的 IRES 介导的翻译起始：研究人员发现 AKT1 的 5′-UTR 可能存在 IRES 序列，并且 OCT4 结合在 AKT1v3 的 5′-UTR 的 IRES 样结构上。通过双荧光素酶报告系统实验，证实了 AKT1v3 的 5′-UTR 能够介导翻译起始，而 OCT4 在其中起到了促进作用。在缺氧条件下，抑制帽依赖的翻译后，OCT4 敲低会阻断 AKT1 蛋白水平的反弹增加，这进一步证明了 OCT4 在 IRES 介导的 AKT1 翻译中的关键作用，就像 OCT4 是 AKT1 在这种特殊翻译过程中的 “助推器”。
8. OCT4 促进的 AKT1 翻译对抗缺氧和氧化应激并调节谱系分化：研究人员利用 HKINT 方法，构建了携带 TAP 标签的 AKT1 敲入细胞系。结果发现，敲入 TAP 标签后，AKT1 的翻译水平显著降低，细胞对氧化应激更为敏感，并且更倾向于向外胚层和内胚层分化。这表明 OCT4 促进的 AKT1 翻译在对抗应激和调节细胞谱系分化中起着重要作用，就像 OCT4 通过调节 AKT1 的翻译为细胞在面对压力和选择分化方向时 “保驾护航”。

综合研究结果和讨论部分，这项研究意义重大。它首次揭示了 OCT4 作为一种抗应激 RBP，在转录后水平调控 PI3K/AKT 通路基因的翻译，为 PSCs 在应激条件下的生存和自我更新提供了重要保障。研究还发现 OCT4 可能作为一种 ITAF，参与 IRES 介导的翻译起始过程，这为理解基因表达调控机制提供了新的视角。此外，研究中使用的 HKINT 方法为研究特定基因 5′-UTR 的功能提供了新的技术手段，就像为科研人员提供了一把探索基因奥秘的 “新钥匙”。然而，研究也存在一些需要进一步探索的地方，比如 OCT4 作为 RBP/ITAF 和转录因子（TF）在不同细胞类型和发育阶段的相对贡献，以及这两种角色之间的协调机制等。尽管如此，这项研究仍然为再生医学、干细胞生物学等领域的发展奠定了坚实的基础，相信在未来，随着研究的不断深入，我们将更加了解这些 “小精灵” 的秘密，为人类健康事业带来更多的福祉。