在TGFβ研究领域中，长期存在一个颇具争议的问题：Smad2/3是否可以独立于Smad4传递信号。经典的TGFβ信号主要通过Smad2/3与辅助因子Smad4结合所形成的转录因子复合物进行传导；然而，不少研究表明Smad2/3分子有时也可以替代或绕过Smad4来激活TGFβ下游的靶基因，但其中的调控机制亟待研究。
11月22日，上海交通大学医学院王琼研究团队等在Nature Communications上发表了题为“A stepwise mode of TGFβ-SMAD signaling and DNA methylation regulates naïve-to-primed pluripotency and differentiation”的研究。该研究提出了一种胚胎干细胞在原始态-始发态-分化过程中的分步调控模型，揭示了Smad2/3通过依赖与非依赖Smad4的两种方式调控干细胞命运的精细机制，并首次发现Dnmt3b是磷酸化的Smad2/3的新型互作因子，共同决定干细胞的命运。此外，研究还阐明了TGFβ-Smad信号通路与DNA甲基化等表观遗传修饰协同调控小鼠胚胎植入的发育机制，为转录调控与表观遗传互作的协同调控提供了新的研究范式（全文链接，请点击本文最后“阅读原文”进入）。
在经典的TGFβ研究领域中，Smad4作为辅助因子扮演了重要的角色。但是，越来越多的研究表明，Smad4并非对所有信号传导过程都不可或缺。例如，在Smad4缺失的情况下，Smad2/3依然能够进入细胞核。TGFβ/BMP信号通路对于胚胎早期发育必不可少，但是在小鼠上胚层中条件性敲除Smad4 对于胚胎早期发育的影响极为有限。此外，尽管Smad4在多种肿瘤中频繁发生突变或失活，TGFβ信号仍然能够激活部分靶基因，其背后的调控机制迄今未达成共识。
该研究通过在小鼠胚胎干细胞中分别敲除Smad2/3和Smad4，并利用干细胞的分化潜能，深入探讨了Smad因子在彼此独立状态下的功能。结合转录组学、蛋白质组学、全基因组结合分析及DNA甲基化检测等多种手段，首次提出在胚胎发育早期，TGFβ-Smad信号通路通过 “分步走”调控模式影响胚胎干细胞的命运决定：1）原始态（naïve）到始发态（primed）的转变：Smad2/3-Dnmt3b轴决定了干细胞从低甲基化的原始态向高甲基化的始发态上胚层的转变。在这一过程中，Smad2/3结合并上调Dnmt3b的表达。一方面，Dnmt3b促进从头DNA甲基化模式的建立，并甲基化抑制Sox2等多能性因子的表达，促使干细胞逐步退出原始态。因此，在Smad2/3敲除的细胞中，Dnmt3b的下调，而仅存的Smad4无法单独启动上胚层基因的转录。另一方面，Dnmt3b直接与Smad2/3互作，促进Smad2/3结合到上胚层基因顺式作用元件的低甲基化区域，这一过程可能依赖于H3K36me2/3的修饰。2）中内胚层分化：上胚层通过原肠运动进一步分化为中内胚层谱系。在这一阶段，从头甲基化活动减弱，并伴随着Dnmt3b表达的下调。Smad4取代Dnmt3b，接过TGFβ信号传递的“接力棒”，形成经典的Smad2/3-Smad4转录复合物。因此，虽然Smad4敲除细胞能够启动上胚层的形成，但无法推进原肠运动进行分化。Smad4的缺失导致干细胞停滞于分化前的类上胚层状态，从而进一步增强Dnmt3b与Smad2/3在核内的相互作用。
这项工作首次发现Dnmt3b是磷酸化的Smad2/3的新型互作因子并受其调控，与Smad2/3共同决定干细胞命运，阐明了信号传导和表观遗传的协同作用机制，进而为理解TGFβ信号在生理学和病理学中的作用提供了新的思路。
干细胞在原始态-始发态-分化过程中的分步调控模型（上图）：首先，Smad2/3通过诱导 Dnmt3b的表达，主导干细胞从原始态到始发态的转变。一方面，Dnmt3b 确保从头DNA 甲基化模式的建立，并通过甲基化及时下调 Sox2 等多能性因子。另一方面，Dnmt3b 通过互作来促进Smad2/3与上胚层基因上的低甲基化中心结合，从而激活上胚层转化。其次，当上胚层向中内胚层分化启动时，Dnmt3b 下调，Smad2/3-Smad4形成经典的TGFb转录复合物，结合并促进中内胚层基因的转录。
上海交通大学医学院王琼研究员，上海市免疫学研究所杜艳华助理研究员和上海交通大学生命科学技术学院章永春副教授为该论文的共同通讯作者；上海交通大学医学院赵冰楠硕士，博士研究生于秀伟，施金彤硕士，马双羽博士和李世召博士为该论文的第一作者。上海市免疫学研究所叶幼琼研究员为本研究提供了重要支持。该研究得到国家重点研发计划，国家自然科学基金委和上海市自然科学基金委的支持。
