细胞作为药物的新兴范式需要精确设计以满足日益增长的临床需求，开发工程化转录因子改造技术，有助于精准高效将起始细胞重编程为目标细胞，具有广阔临床应用前景。染色质的可及性是细胞谱系特征建立和维持的重要因素之一，每种细胞类型都展现出独特的染色质可及性景观，无论在由转录因子组合还是化学物质介导的不同体细胞重编程过程中，染色质可及性景观都呈现出从体细胞特征态向多能态转变的模式，这表明细胞命运转换可能依赖于一种共同内在机制来实现。
尽管目前对染色质动态变化规律和功能已有较为深入的研究，但如何通过开发相应工具调节染色质可及性达到诱导细胞命运转变仍有待进一步阐明。
近日，浙江科技大学信息与电子工程学院/全省生物医学智能计算技术重点实验室王波博士联合西湖大学生命科学学院裴端卿团队在《Nature Communications》杂志上发表题为“Engineering mouse cell fate controller by rational design”的最新研究论文，报道了根据染色质可及性工程化改造转录因子调控细胞命运转变的相关机制。
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王波博士之前发现转录因子Sall4可招募NuRD复合物调控调控染色质关闭，参与重编程过程中起始细胞特异性基因沉默。那么是否可以借助染色质重塑复合物精准调控干细胞染色质开放，诱导多能干细胞产生？染色质重构复合物BAF具有调控染色质结构和基因表达的功能，其亚基SS18蛋白N端70个氨基酸可招募BAF复合物中的BRG1亚基，参与染色质的重塑，因此将这70个氨基酸命名为BRG1-interacting Domain (BiD)。利用此特性，将BiD与多个TF进行融合，在体细胞重编程过程中进行验证，发现与NanogBiD与Oct4组合显著促进体细胞重编程。
图1 工程化转录因子与多能干细胞诱导
a.转录因子(X)与Ss18的N端70个氨基酸融合示意图
b.体细胞重编程为多能干细胞示意图
c.工程化改造的转录因子与其他重编程系统的比较
蛋白质谱和点突变实验证明NanogBiD招募BAF复合物中的蛋白至Nanog结合位点。ATAC-seq实证明验NanogBiD促进染色质开放，这些开放位点与多能性密切相关，RNA-seq及CUT&Tag等实验发现NanogBiD招募Brg1至调控位点，激活内源性多能性基因如Sall4、miR-302、Dppa5a及Sox15等，最终建立多能性网络。
图2 NanogBiD与BAF复合物相互作用
a.收集重编程过程中有无BiD结构的Nanog样品
b.含有BiD的Nanog结合BAF复合物亚基
c.IP验证 NanogBiD与BAF复合物相互作用
本文通过细胞命运转变过程中染色质开放和关闭基本原理，合理设计调控染色质开放的原件，通过转录因子人工改造实现体细胞重编程中染色质的精确重塑，结合高通量测序验证其调控机制。该研究不仅深化对细胞命运调控机制的理解，还为细胞命运调控提供新的工具和方法，对推动细胞工程和再生医学的发展具有重要意义。
图3 工程化改造转录因子促进染色质开放
a.体细胞重编程过程中染色质开放与关闭情况
b.NanogBiD促进体细胞重编程机制示意图
西湖大学生命科学学院讲席教授裴端卿为本文最后通讯作者，浙江科技大学信息与电子工程学院/全省生物医学智能计算技术重点实验室王波博士，西湖大学生命科学学院赵程辰副研究员共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金委、长三角科技创新共同体联合攻关项目等的资助；同时得到了西湖大学实验动物中心及成像平台的大力支持。
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来源 | 信息学院
今日编辑 | 宗雪祯
责编 | 尹 媛、董 苗
责审 | 尤永杰
终审 | 宋 珂
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