袭荣文实验室发现微环境调控干细胞分化的表观遗传机制

      2016年10月1日，袭荣文实验室在《Development》杂志以”Highlighted Article”形式发表题为“Control of germline stem cell differentiation by Polycomb and Trithorax group genes in the niche microenvironment”的文章，发现表观遗传调节因子作用在果蝇卵巢护卫细胞中调控生殖干细胞分化的作用。

      成体干细胞具有自我更新和分化的特性，起着维持组织稳态的重要作用。干细胞发挥正常的生理功能需要一个适当的微环境（niche）。果蝇卵巢的原卵区的前端有2-3个生殖干细胞。原卵区顶端的終丝细胞和冠细胞构成了生殖干细胞的微环境，主要通过分泌BMP信号通路配体Dpp来维持生殖干细胞的自我更新。而包裹生殖干细胞的护卫细胞构成了干细胞的分化微环境。BMP信号增强会导致生殖干细胞样肿瘤的形成，信号减弱会导致生殖干细胞丢失，所以维持BMP信号的平衡十分重要。在胚胎发育过程中，抑制型的表观因子Polycomb group (PcG)和激活型的表观因子Trithorax group (TrxG)相互竞争靶点基因来维持其适度表达，形成正常体节。

       研究人员发现，在成体雌果蝇的护卫细胞中敲低 Polycomb Repressive Complex1 (PRC1)基因，包括psc & su(z)2, ph, 或sce会阻断包囊细胞分化，形成生殖干细胞样肿瘤。其中psc和su(z)2基因功能冗余，同时RNAi才有表型。分别单独过表达显性失活的psc和su(z)2转基因有弱的表型，同时过表达这两个转基因能表型模拟psc和su(z)2 RNAi。检测BMP信号活性表明，psc和su(z)2 RNAi后，在远离干细胞微环境的生殖干细胞样的细胞中BMP通路下游pMad染色增强，报告基因Dad-lacZ上调，分化信号bam-GFP消失。dpp转录活性的报告基因在护卫细胞中上升，RT-qPCR检测dpp的一个转录形式dpp-RB明显上升。而同时进行dpp RNAi或者一个拷贝的dpp突变体都可以减少甚至抑制肿瘤的发生。进一步分析，psc和su(z)2 RNAi的护卫细胞并没有明显的增加凋亡，同时过表达凋亡抑制因子p35仍然能形成肿瘤。通过冠细胞和卵泡细胞特异标志染色，研究人员发现psc和su(z)2 RNAi的护卫细胞并没有完全转化为其他细胞类型，而仅仅是异常的上调了dpp-RB的表达，导致生殖干细胞中BMP信号增强从而抑制了分化。有趣的是，在psc和su(z)2 RNAi同时过表达TrxG基因brm的显性失活转基因也可以抑制肿瘤的形成，并且是通过抑制dpp-RB的表达上调实现的。说明PcG和TrxG在成体果蝇的护卫细胞中相互拮抗来维持干细胞自我更新信号的平衡。但是与胚胎发育中的情况不同的是，单独brm RNAi或者过表达并没有表型，说明在护卫细胞中PcG抑制dpp的表达是一种默认状态。该研究使我们进一步了解干细胞和微环境之间的相互作用和染色质状态动态调节的重要意义。

       我所与中国农业大学联合培养的博士生李学文为本文的第一作者，袭荣文实验室的杨斧博士为本文的共同第一作者；其他作者包括陈红燕，邓博文和李兴华；袭荣文博士为本文通讯作者。该研究由科技部973项目资助，在北京生命科学研究所完成。