Nat10通过mRNA胞苷乙酰化维持小鼠胚胎干细胞多能性与类2细胞状态的稳态平衡

本研究针对小鼠胚胎干细胞(mESCs)中多能态与类2细胞(2C-like)状态转换的调控机制这一关键科学问题，通过系统研究N-乙酰转移酶10(Nat10)介导的mRNA N4 -乙酰胞苷(ac4 C)修饰，揭示了Nat10通过双重机制维持mESCs稳态：一方面通过ac4 C修饰稳定OCT4等核心多能性因子mRNA，另一方面通过乙酰化异染色质调节因子Kap1 mRNA抑制2C基因表达。该发现为理解多能性与全能性转换的表观转录调控提供了新视角。

　　

在生命科学领域，胚胎干细胞的多能性维持与状态转换一直是备受关注的核心问题。小鼠胚胎干细胞(mESCs)具有独特的双稳态特性：主体细胞保持多能性状态，同时存在少量自发转换为类似2细胞期胚胎的"类2细胞状态"(2C-like)的细胞群体。这种状态转换不仅关乎早期胚胎发育的分子机制，更为再生医学提供了研究全能性细胞的理想模型。然而，科学家们长期困惑的是：何种分子机制在维持多能性网络的同时，又能精确抑制2C基因的表达程序？

南开大学等机构的研究团队将目光投向了表观转录组学领域。近年来，RNA修饰被发现在基因表达调控中扮演关键角色，其中N⁴
-乙酰胞苷(ac⁴
C)作为保守的mRNA修饰，被证实能增强RNA稳定性和翻译效率。N-乙酰转移酶10(Nat10)是唯一已知的ac⁴
C"书写器"，但其在mESCs中的功能仍属未知。这项发表在《Nucleic Acids Research》的研究，首次系统阐明了Nat10通过ac⁴
C修饰双向调控mESCs命运决定的新机制。

研究团队运用了多项关键技术：通过诱导型shRNA建立Nat10敲低(Nat10 KD)的mESCs模型；采用乙酰化RNA免疫共沉淀测序(acRIP-seq)在全转录组范围鉴定ac⁴
C修饰位点；结合RNA-seq分析转录组变化；利用染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)检测H3K9me3修饰变化；通过免疫共沉淀质谱(IP-MS)筛选Nat10相互作用蛋白；并运用超高分辨率结构光照明显微镜(SIM)观察核仁结构变化。

Nat10可能间接影响异染色质
免疫沉淀质谱分析发现Nat10与核仁蛋白Ncl存在相互作用，共定位实验显示Nat10定位于核仁及染色体周边区域。虽然未直接结合异染色质标志蛋白HP1α，但Nat10可能通过Ncl间接影响异染色质结构，这为其调控2C基因提供了结构基础。

Nat10维持多能性网络
敲低Nat10导致mESCs失去典型克隆形态，RNA-seq显示1256个基因下调，包括OCT4、NANOG等核心多能性因子。acRIP-seq证实这些基因mRNA存在ac⁴
C修饰，且修饰减少导致mRNA稳定性下降。机制上，Nat10通过保守的CAG基序乙酰化这些转录本，从而维持多能性网络稳定。

Nat10抑制2C-like程序
Nat10 KD显著激活2C基因(如Zscan4、Dux)和转座元件MERVL。有趣的是，2C基因mRNA本身缺乏ac⁴
C修饰，表明Nat10通过间接途径抑制2C程序。研究发现Nat10通过ac⁴
C修饰稳定异染色质调节因子Kap1的mRNA，维持H3K9me3修饰水平，从而抑制2C基因。催化失活突变体Nat10G641E无法挽救这些表型，证实ac⁴
C修饰的关键作用。

Nat10的核仁功能
Nat10定位于核仁，其缺失导致核仁结构异常：Ncl标记的致密纤维组分"环状"结构消失，核仁数量和尺寸减小。虽然28S rRNA略有增加，但pre-rRNA显著减少，提示Nat10参与核糖体生物发生，这可能通过影响LINE1-Ncl-Kap1复合物间接调控2C程序。

这项研究首次揭示了Nat10在mESCs中的双重调控机制：一方面通过ac⁴
C修饰直接稳定多能性因子mRNA，另一方面通过修饰Kap1 mRNA维持异染色质稳态来抑制2C基因。这不仅拓展了对RNA修饰在干细胞命运决定中作用的认识，更重要的是发现了ac⁴
C修饰在多能性与全能性状态平衡中的精确调控作用。从转化医学角度看，Nat10抑制剂Remodelin可促进2C-like状态，为获得类全能性干细胞提供了新策略；而Nat10-Kap1-H3K9me3轴则为相关发育障碍疾病的研究提供了新靶点。该研究将表观转录组学与表观遗传学巧妙结合，为理解早期胚胎发育的表观调控网络提供了全新视角。