Toti多组学数据库：解码全能干细胞表观遗传调控基因表达的新纪元

研究人员针对全能干细胞(TSCs)表观遗传调控机制数据匮乏的现状，开发了首个整合8,284个人鼠样本的多组学数据库Toti。该研究通过整合RNA-seq、scRNA-seq、ChIP-seq等技术，揭示了H3K4me3-Zscan4轴在维持基因组稳定性中的关键作用，为再生医学提供了重要资源平台。

在生命起源和早期胚胎发育过程中，全能干细胞(TSCs)具有最广泛的分化潜能，能够发育成完整个体。然而，由于胚胎来源的TSCs数量稀少，科学家们对其表观遗传调控机制知之甚少。现有数据库多聚焦于多能干细胞(PSCs)，缺乏对全能性相关分子特征的系统整合。这种知识空白严重制约了人们对细胞全能性建立和退出机制的理解，也阻碍了再生医学领域的发展。

为破解这一难题，浙江大学医学院的Chai Yi等研究人员在《Stem Cell Reports》发表了开创性研究。团队构建了首个专注于全能干细胞的多组学数据库Toti，整合了4,680个人类和3,604个小鼠样本的转录组和表观遗传数据。研究采用RNA-seq、scRNA-seq、ATAC-seq、ChIP-seq等技术，重点分析了2细胞样细胞(2CLCs)、化学诱导全能干细胞(ciTotiSCs)等模型与体内外TSCs的分子特征差异。样本来源包括GEO等公共数据库的测序数据，以及作者前期关于Dux诱导2C样转变的研究数据。

研究结果部分，通过"转录组差异揭示体外TSC模型的异质性"发现：虽然2CLCs、ciTotiSCs和TPSs都表现出核心全能性特征，但UMAP分析显示它们分别代表了全能性谱系中的不同状态。特别是2CLCs特异性高表达与染色体端粒区相关的全能性基因。

在"关键组蛋白修饰与2CLCs基因表达的关联"中，研究人员发现H3K4me3修饰与全能性基因和次要合子基因组激活(ZGA)基因的表达呈最强正相关。这种关联性强于其他组蛋白标记如H3K27ac和H3K27me3，提示H3K4me3可能是调控全能性的关键表观遗传标记。

最引人注目的发现体现在"H3K4me3-Zscan4轴在2CLCs中的潜在作用"。基因组浏览显示，Zscan4家族基因(Zscan4a/c/d/f)在2细胞胚胎和2CLCs中特异性地具有H3K4me3修饰峰和开放染色质区域。通路富集分析揭示这些基因显著富集于端粒维持和DNA重组相关通路。特别值得注意的是，Zscan4c的结合基序分析显示其对(CA)n/(TG)n微卫星序列的特异性识别，这可能通过防止Z-DNA形成来维持基因组稳定性。

研究结论部分指出，Toti数据库的创新性在于首次系统整合了体内外及基因编辑TSCs的多组学数据。该研究不仅证实了H3K4me3-Zscan4轴在维持全能性中的核心作用，还揭示了不同TSC模型间的分子异质性。这些发现为理解早期胚胎发育的表观遗传调控提供了新视角，也为再生医学中的细胞重编程策略提供了重要参考。数据库的开放获取特性(http://toti.zju.edu.cn/)将极大促进全能性研究的国际合作与知识共享。

值得注意的是，研究还发现虽然化学诱导的ciTotiSCs能模拟2细胞胚胎的转录组特征，但在母源基因表达模式上仍存在差异，提示人工诱导的全能性状态与天然胚胎可能存在微妙差别。这些发现为未来优化TSC诱导方案提供了重要方向标。