多组学研究揭示ATR介导的OCT4磷酸化在人类原始态干性维持中的关键作用

　　

编辑推荐：针对人类早期胚胎细胞干性维持和基因组稳定性维持间的相关性问题，浙江大学团队通过磷酸化蛋白组学和蛋白组学等手段，揭示DNA损伤应激反应通路中的关键激酶ATR可通过介导OCT4蛋白磷酸化调控原始态干性和基因组稳定性，为阐明人类早期胚胎发育过程及相关异常的分子机制提供了全新视角。

近年来一系列研究揭示，人类原始态胚胎干细胞（naïve hESC）可分化成包括滋养外胚层在内的所有细胞类型并进一步形成“类囊胚”(blastoid)，因此它们在人囊胚发育和着床研究以及再生医学的应用中都比常规培养的人类激发态胚胎干细胞（primed hESC）具有更高的价值。在人体内，由原始态向激发态hESC的转化对应着生理状态下着床的过程，这是发育过程中十分关键的一步，是胚层和器官形成的前提基础。因此，研究原始态hESC干性建立、维持和转化的分子机制对人类早期胚胎发育研究、辅助生殖医学等领域都有重要意义和价值，是当今国际多能干细胞领域的前沿热点之一。

由于蛋白质翻译后修饰在感知、整合和传递胞内外信号以及增加蛋白质功能的多样性方面均发挥了核心作用，核心干性因子OCT4蛋白的磷酸化和其他翻译后修饰一直备受关注。浙江大学陈文洁等近日在《Scientific Reports》发表论文，通过系统解析和比较激发态和原始态hESC中核心干性因子OCT4蛋白的磷酸化修饰，鉴定到原始态hESC的OCT4蛋白上特有的2个磷酸化位点（S180和S136），然后通过生物信息学手段预测和非细胞体外生化体系证实这2个位点的磷酸化可由DNA损伤应激反应通路中的关键激酶ATR所催化。然后用实验进一步验证，原始态hESC中的ATR活性的确高于激发态hESC，并且ATR活性是建立原始态干性所必需的。通过这一创新的技术策略，该研究首次将核心干性因子OCT4和DNA损伤修复激酶ATR关联起来，为深入理解原始态干细胞维持其高保真基因复制与修复、实现其干性维持与基因组稳定性维持之间的平衡等分子机制提供了重要的新线索。

该研究的主要创新点在于： 

1）建立了ATR-OCT4轴的功能偶联：通过抑制ATR活性（如使用ATR特异性抑制剂AZ20），研究发现原始态干性诱导效率显著降低，且细胞在紫外线（UV）或喜树碱（CPT）处理后的凋亡率升高。这表明ATR不仅通过磷酸化OCT4维持原始态干性，还在应激条件下保护基因组完整性、保障多能干细胞的存活，从而将ATR的调控作用与OCT4直接关联。这一发现也与该团队近期报道OCT4在应激条件下通过直接上调AKT家族基因的翻译发挥抗凋亡功能形成呼应（OCT4——多能干细胞抗应激 “卫士”，揭秘其翻译调控关键作用 - 生物通 (ebiotrade.com)）。

2）确立了OCT4磷酸化位点的功能特异性：OCT4的S180和S136磷酸化位点位于其POU结构域附近，可能通过空间位阻影响DNA结合能力或与其他转录因子的相互作用。此前研究已发现，OCT4的磷酸化（如S229、S236）可调控与靶基因DNA的结合活性，而该研究的位点特异性翻译后修饰进一步丰富了OCT4功能调控的分子图谱，为设计靶向原始态/激发态干性状态的干预策略提供了潜在靶点。

3）揭示了多能性状态与基因组稳定性的交叉调控：该研究提示，DNA损伤应答系统可能通过修饰核心多能性因子，动态协调细胞命运与基因组稳定性。这一机制在早期胚胎发育中尤为重要—着床前胚胎需在快速分裂的同时维持基因组完整性，而原始态干性状态的异常可能导致发育停滞或疾病发生。

综上，该研究取得了下列一系列突破：在理论层面，揭示了ATR-OCT4轴在人类原始态干性维持中的关键作用，填补了多能性状态转换调控网络的空白；在技术层面，提供了全面的OCT4磷酸化位点图谱，为后续功能研究奠定了基础；在应用层面，为优化naive hESC培养体系、开发胚胎发育异常等疾病模型提供了新靶点。未来值得进一步探索的科学问题包括：OCT4磷酸化如何与其他表观遗传修饰（如乙酰化或泛素化）协同调控多能性；ATR-OCT4轴在类囊胚形成或体细胞重编程中的作用；不同物种（如小鼠与人类）中该调控机制的保守性与差异性。这些研究不仅能深化对多能性动态调控的理解，也会为生殖医学与再生医学的转化应用提供新契机。

文章链接：

ATR regulates OCT4 phosphorylation and safeguards human naïve pluripotency | Scientific Reports (nature.com)