SMAD1/5通过招募组蛋白去甲基化酶KDM1A调控胚胎干细胞命运决定的新机制

本研究揭示了BMP-SMAD信号通路在胚胎干细胞命运决定中的新机制。研究人员发现SMAD1/5通过招募组蛋白去甲基化酶KDM1A/LSD1，特异性去除增强子标记H3K4me1/2，从而抑制神经外胚层等谱系相关基因表达。该发现为理解干细胞多能性维持和分化调控提供了新视角，对再生医学具有重要意义。

　　

在生命科学领域，胚胎干细胞（mESCs）的多能性维持和分化调控一直是研究热点。虽然已知骨形态发生蛋白（BMP）信号通路在干细胞生物学中发挥重要作用，但其通过SMAD1/5介导的表观遗传调控机制仍不清楚。特别是在异质性干细胞群体中，BMP信号如何精确调控特定基因表达程序仍是一个亟待解决的问题。

针对这一科学问题，帝京大学先进综合研究机构（ACRO）健康科学分部的Masato Morikawa团队开展了深入研究。研究人员发现，在na?ve态小鼠胚胎干细胞中，SMAD1/5通过招募组蛋白去甲基化酶KDM1A/LSD1到特定基因组区域，去除增强子标记H3K4me1/2，从而抑制神经外胚层（NE）等谱系相关基因的表达。这一重要发现发表在《Journal of Biomedical Informatics》上，为理解干细胞命运决定的表观遗传调控机制提供了新见解。

研究采用了多项关键技术：单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析Smad1/5双敲除（S1/5 dKO）mESCs的转录组异质性；染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）检测SMAD1/5和KDM1A的基因组结合位点及H3K4me1/2修饰变化；免疫共沉淀（Co-IP）验证SMAD1与KDM1A的物理相互作用；以及胚胎体（EB）分化模型评估Kdm1a缺失对细胞命运的影响。

研究结果部分：

"单细胞RNA-seq分析揭示Smad1/5缺陷型mESCs与亲本mESCs仅有微小差异"：通过scRNA-seq发现S1/5 dKO细胞仍保持多能性状态，但部分印记基因如Mest和Nnat表达上调。

"SMAD1/5在SMAD1/5抑制基因位点的结合区域倾向于缺乏H3K4me1标记"：ChIP-seq显示SMAD1/5结合区域在野生型细胞中H3K4me1水平较低，而在S1/5 dKO细胞中该标记增加。

"SMAD1/5与KDM1A/LSD1共定位，抑制部分SMAD1/5靶基因"：生物信息学分析和实验验证表明，20个候选因子中KDM1A与SMAD1/5协同调控基因表达。

"SMAD1通过MH2结构域与KDM1A发生物理相互作用"：Co-IP实验证实SMAD1 MH2结构域与KDM1A的tower结构域相互作用，且该作用不依赖SMAD4。

"SMAD1/5招募KDM1A至靶位点并使组蛋白H3K4me1/2去甲基化"：全基因组分析鉴定出112个SMAD1/5依赖的KDM1A招募区域，这些区域与神经发育等过程相关。

"mESCs中SMAD1/5-KDM1A靶区域对应于EpiLCs中富含H3K4me2的位点"：比较分析表明这些区域在na?ve态mESCs中被抑制，而在formative态中激活。

"KDM1A抑制PSC向特定谱系分化"：scRNA-seq显示Kdm1a缺失导致胚胎体中中胚层和内胚层细胞减少，而神经外胚层相关基因表达增加。

研究结论指出，SMAD1/5-KDM1A复合物通过表观遗传沉默机制抑制神经外胚层等谱系相关基因，这一发现不仅阐明了BMP信号调控干细胞命运决定的新机制，也为理解发育和疾病中的表观遗传调控提供了重要线索。值得注意的是，该调控机制是SMAD4非依赖性的，拓展了对SMAD信号通路的认知。研究还揭示了印记基因如Mest和Nnat在干细胞分化中的潜在作用，为相关疾病的机制研究提供了新方向。

这项工作的意义在于：首先，明确了SMAD1/5作为表观遗传调控因子的新功能；其次，揭示了KDM1A在干细胞分化中的谱系特异性作用；最后，为理解发育过程中信号通路与表观遗传调控的协同机制提供了范例。未来研究可进一步探索这一机制在肿瘤发生和上皮-间质转化（EMT）等病理过程中的作用。