NCB | 两种干细胞的表观遗传特征比较揭示基因表达控制的机制

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增强子是一种调控基因表达的重要因子。通常，染色质开放区域和H3K27ac标志富集的DNA区域被认为是增强子片段，它们通过和基因启动子区域形成环（loop）来激活基因表达。然而增强子功能在不同环境下和细胞系中的动态变化机制并未得到详细的阐释。

胚胎干细胞（ESC）的早期分化伴随着复杂的基因调控过程，具有重大研究意义，因而也是研究增强子动态调控的理想工具。近日，来自荷兰拉德布大学的Hendrik G. Stunnenberg在Nature Cell Biology发表了题为Epigenetic modulation of a hardwired 3D chromatin landscape in two naive states of pluripotency 的文章，整合了多种表观基因组和三维基因组数据，研究对比了小鼠胚胎干细胞不同条件下的表观遗传属性，发现了H3K27ac标记及细胞特异性的转录因子，是增强子在不同细胞中被选择性激活的原因。

研究者选择两种不同的培养状态下的小鼠胚胎干细胞作为主要研究对象，一种是在MEK、GSK3双抑制剂（2i）和LIF中培养的（即2i干细胞），另一种是在血清和LIF中培养的（即血清干细胞）。以前的研究表明，这两种培养环境下的干细胞具有不同的多能性状态，且同某些发育阶段中的胚胎干细胞有相似之处【1,2】。

他们首先比较两种干细胞的基因表达水平，发现了伴随时间变化的明显差异。然而基因表达的差异同染色质相互作用并没有很强的关联。在差异表达的基因中，除了少数如Bmi1外，Klf4、Prdm14等对保持细胞多能性很重要的基因都没有呈现明显的相互作用差异。结合前人的研究表明，2i干细胞和血清干细胞的染色质相互作用在很大程度上是不变的。而存在相互作用差异的位点中，大部分都伴随着抑制性的染色质标记H3K27me3。

接下来，研究者对两种干细胞间表观遗传标记的差异展开了进一步研究。他们发现增强子周围H3K27ac标记的水平同相应基因表达的相关性很强。于是他们将增强子分为三类：只有ATAC-seq标记的（E1），同时具有ATAC-seq和H3K27ac标记的（E2），和只有H3K27ac标记的（E2）。他们将每一类增强子进一步分为动态和非动态，将动态增强子又划分为2i干细胞特异和血清干细胞特异。其中，同时具有两类标记的增强子（E2）相互作用数目最多，与基因表达的相关性也最强。作者发现，E2增强子中富集了核受体（NR）ESRRB、NR5A2和KLF因子的motif。核受体ESRRB、NR5A2的motif在2i特异性增强子中最为富集，且常与NANOG/OCT4/SOX2/TCF3/7这些著名的多能性调控因子同时出现。ESRRB、NR5A2的ChIP-seq数据表明，它们确实在基因的远端区域富集，且同H3K27ac信号相伴。

最后，作者对ESRRB和NR5A2因子进行了敲除实验，发现缺少ESRRB的2i干细胞失去了大面积的H3K27ac标记，死亡率也大幅增加，而失去NR5A2则并未对细胞造成明显影响。同时恢复ESRRB可以复原2i干细胞中的H3K27ac标记，从而说明ESRRB是2i干细胞特异的重要调控因子，其可利用现成的相互作用网络，通过添加H3K27ac标记来激活2i干细胞的基因表达。