OTX2通过增强子重塑调控哺乳动物定形内胚层特化和图式形成的作用机制

本研究揭示了转录因子OTX2在哺乳动物定形内胚层(DE)发育中的关键调控作用。研究人员通过构建多用途降解等位基因系统，结合类器官模型和单细胞测序技术，发现OTX2通过动态调控增强子活性，协调WNT信号通路和细胞迁移相关基因表达，从而指导前肠图式形成。该研究为理解胚胎发育中跨胚层保守的分子机制提供了新见解。

　　

胚胎发育过程中，定形内胚层(Definitive Endoderm, DE)作为消化系统和呼吸系统器官的前体，其特化和图式形成的分子机制一直是发育生物学研究的核心问题。尽管已知多个信号通路参与这一过程，但转录因子如何整合这些信号并精确调控下游基因表达的机制仍不清楚。特别值得注意的是，同源框转录因子OTX2在神经外胚层发育中的功能已被广泛研究，但其在内胚层发育中的作用却长期被忽视。这种知识缺口限制了我们对跨胚层保守发育机制的理解，也阻碍了相关先天性疾病治疗策略的开发。

为回答这些问题，Ly-sha Ee等研究人员在《Developmental Cell》发表了题为"Enhancer remodeling by OTX2 directs specification and patterning of mammalian definitive endoderm"的研究论文。研究团队创新性地结合多用途降解系统(dTAG)、类器官培养技术和单细胞多组学分析，系统解析了OTX2在DE发育中的时空特异性功能。研究使用的细胞模型包括小鼠胚胎干细胞(mESC)来源的拟胚体和人胚胎干细胞(hESC)分化体系。

关键技术方法包括：1) 构建OTX2-dTAG等位基因系统实现时空特异性蛋白降解；2) 应用微模式培养技术模拟胚胎发育；3) 单细胞RNA测序(scRNA-seq)解析转录组动态变化；4) CUT&RUN和CUT&TAG技术绘制OTX2结合图谱和组蛋白修饰图谱；5) 类器官培养系统评估前肠分化潜能。

OTX2缺失损害小鼠DE形成

研究人员首先通过生物信息学分析发现Otx2在DE发育轨迹中持续高表达。利用OTX2-dTAG系统，他们发现OTX2降解导致DE标志物SOX17表达显著降低，而中胚层标志物FOXA2不受影响。单细胞转录组分析显示，OTX2缺失导致1，646个基因差异表达，包括DE相关转录因子下调和非内胚层基因异常激活。

OTX2在DE特化后仍发挥重要作用

即使在DE特化后降解OTX2，仍观察到类似但程度较轻的转录紊乱。特别值得注意的是，前肠标志物表达显著受损，后续向胃前体(SOX2⁺PDX1⁺)的分化效率明显降低，表明OTX2在维持DE身份和前肠图式形成中具有持续作用。

OTX2基因组占位的动态变化

CUT&RUN分析揭示了OTX2结合位点的动态变化：在DE阶段鉴定出42，566个高置信结合位点，其中73.9%为DE阶段新出现的"de novo"位点。这些位点富集FOXA1等内胚层TF motif，而早期结合位点则富集SOX2和EOMES motif。值得注意的是，约30%的OTX2调控基因在DE特化前就已获得OTX2结合，提示预定位机制。

OTX2调控增强子活性的双向作用

H3K27ac CUT&TAG分析发现OTX2通过三种机制调控增强子：1) 激活DE特异性增强子(K^DE_1)；2) 抑制异位增强子激活(K^DE_2)；3) 促进PS相关增强子去活化(K^DE_3)。这种双向调控确保了发育程序的精确执行。

OTX2在人DE特化中的保守功能

在人hESC分化系统中，OTX2降解同样损害了CXCR4⁺CD117⁺ DE细胞的形成，并导致细胞聚集缺陷。虽然SOX17表达未受影响，但前肠相关基因HESX1下调和非内胚层基因MIXL1上调的模式与小鼠模型相似，表明OTX2功能在物种间具有保守性。

这项研究确立了OTX2作为内胚层发育的关键调控因子，揭示了其通过动态增强子重塑协调DE特化和前肠图式形成的分子机制。研究发现OTX2具有三重功能：激活内胚层增强子、抑制非内胚层增强子和促进PS增强子去活化，这种多层次的调控确保了发育程序的精确性。特别值得注意的是，OTX2与EOMES在调控网络中的拮抗作用，为理解胚层特化过程中的"命运抉择"提供了新视角。该研究不仅拓展了对OTX2生物学功能的认识，也为理解发育过程中跨胚层保守的调控机制提供了范式。从转化医学角度看，这些发现为内胚层发育异常相关先天疾病的机制研究和干细胞治疗策略开发提供了重要理论基础。