表观基因组预决定区域化外胚层群体对胚层分化信号的细胞背景响应

本研究针对干细胞在再生医学中分化潜能调控机制不明的关键问题，通过整合单细胞转录组（scRNAseq）、空间转录组、染色质可及性（ATACseq）和全基因组甲基化测序（WGBS）技术，揭示了FGF/ERK/ETS信号轴通过DNA甲基化和染色质重塑预决定外胚层细胞对WNT/BMP信号的差异化响应机制。研究发现CLDN6High外胚层干细胞（EpiSCs）具有神经外胚层和内胚层（DE）分化倾向，而CLDN6Low群体则定向分化为神经中胚层前体（NMPs），PBX1缺失模型进一步证实ERK通过调控Spry2位点表观遗传状态影响中胚层命运选择。该研究为理解哺乳动物组织多样性建立的表观遗传调控机制提供了新范式，发表于《Nature Communications》。

　　

在发育生物学和再生医学领域，干细胞如何响应相同的微环境信号却产生截然不同的细胞命运，一直是悬而未解的谜题。传统观点认为，形态发生素梯度是决定细胞分化的核心因素，但越来越多的证据表明，表观遗传预编程可能才是细胞命运选择的"隐形导演"。这项由丹麦哥本哈根大学诺和诺德干细胞医学中心领衔的研究，通过创新性地结合多组学技术和基因编辑模型，首次系统揭示了表观基因组如何像"分子密码本"一样，指导区域化的外胚层细胞对普适性分化信号产生特异性响应。

研究团队主要运用了四种关键技术：基于CLDN6表面标记的流式分选（FACS）分离外胚层亚群；单细胞转录组（scRNAseq）追踪体外分化轨迹；全基因组甲基化测序（WGBS）和染色质可及性分析（ATACseq）解析表观遗传景观；以及PBX1条件性敲除小鼠模型验证ERK信号的表观遗传调控功能。胚胎样本来自Eomes-GFP转基因小鼠的E6.5-E7.75阶段胚胎。

FGF/ERK活性区分前后外胚层身份
通过空间转录组发现CLDN6呈前高后低的梯度分布，据此分选的CLDN6^High EpiSCs表现出上皮特征和高ERK磷酸化水平，而CLDN6^Low群体呈现间充质特性和Ets1高表达。这种差异预示二者可能具备不同的分化潜能。

外胚层ERK水平预决定胚层谱系选择
分化实验证实CLDN6^High群体优先分化为FOXA2⁺内胚层（DE）和神经外胚层，而CLDN6^Low群体则倾向形成TBX6⁺神经中胚层前体（NMPs）。PD03介导的ERK抑制实验再现了这种分化偏好的ERK剂量依赖性，说明ERK活性是决定谱系选择的关键开关。

外胚层DNA甲基化预编程WNT驱动的胚层命运
令人意外的是，ATACseq显示两组细胞在未分化状态下神经谱系基因的染色质可及性无差异，但WGBS发现CLDN6^High细胞中Pax6等神经外胚层基因呈现特异性高甲基化。这表明DNA甲基化差异先于染色质重塑发生，像"分子锁"一样限制CLDN6^Low细胞的神经分化潜能。

PBX通过ERK和表观遗传机器调控外胚层细胞
Pbx1敲除导致EpiSCs中ERK活性降低和Spry2表达升高。ChIPseq证实PBX1直接结合Spry2增强子，通过PBX-PREP1复合物（而非经典HOX复合物）调控ERK反馈环路。这种调控异常会改变Hand1和Tbx3等中胚层基因的甲基化模式，导致BMP信号响应异常。

PBX/ERK预编程后外胚层对BMP信号的响应
在Pbx1敲除模型中，本该形成尿囊内皮（Hand1⁺）的细胞错误分化为卵黄囊间质（Tbx3⁺），证实ERK通过塑造特定的表观遗传景观来"预选"中胚层亚型。这种机制解释了为何胚胎中位置相邻的细胞会对相同BMP信号产生差异化响应。

这项研究创新性地提出了"表观遗传预编程"理论框架，重新诠释了Waddington景观中细胞命运决定的分子机制。在应用层面，CLDN6分选策略为神经中胚层前体（NMPs）的体外富集提供了新方法，而PBX1-ERK-ETS调控轴的发现为理解癌症转移中的表观遗传紊乱提供了新视角。特别值得注意的是，研究揭示DNA甲基化与染色质可及性在不同胚层决定中扮演差异化角色：前者主导前胚层（神经外胚层/DE）的命运锁定，后者调控后胚层（中胚层）的亚型选择，这种分级调控模式为再生医学中的定向分化策略提供了精确的分子干预靶点。