小鼠胚胎幹細胞（ESC）來源於囊胚時期的內細胞團，因其發育成胚胎所有三胚層細胞的能力而被視為多潛能性細胞，但其幾乎不對胚胎外組織的形成有任何貢獻。而全能性細胞，如一細胞合子（Zygote）及二細胞時期（2-Cell）的單個卵裂球，既能發育形成胚胎組織，又可以發育成胚胎外組織。體外培養的小鼠胚胎幹細胞中，有極小部分（1%-5%）細胞具有擴展的多能性，即這類細胞既可以向胚胎組織分化（嵌合入小鼠組織器官），也具有向胚外組織分化的潛能（嵌合入胎盤）。此類細胞也被稱為
2C樣細胞（2CLC, 2-Cell like cell）。前期的研究發現，2CLC中存在高水平的MERVL轉錄。此外，包括Zscan4基因家族在內的大量二細胞特異性基因，也被顯著地激活。然而，目前對2C狀態調節的理解在很大程度上，聚焦於鑑定和表徵ESC富集的編碼或非編碼分子，這些分子將ESC的細胞命運潛能限制為多能性狀態，而非將其激活為2C狀態。例如，先前的研究已經揭示了許多限制小鼠ESC中的2C狀態的關鍵因子，包括LSD1, CAF-1，KAP1，G9A，miR-34a，PRC1.6，EP400-TIP60複合物和PIAS4 SUMO E3連接酶等。與之相反的是，Dux是第一個被鑑定為在ESC中，可正向調節並激活2C狀態的轉錄因子（Cell Research丨高紹榮團隊全面描繪DUX在小鼠胚胎基因組激活中的作用；專家點評Nature Genetics | 張毅團隊證明體內DUX並非小鼠胚胎基因組激活的關鍵因子）。但是，Dux下游如何調節2C狀態的詳細分子事件還未被闡述。
2020年2月6日，同濟大學高紹榮教授課題組聯合美國西奈山醫學院（現哥倫比亞大學歐文醫學中心）王建龍（Jianlong Wang）教授課題組在 Cell Stem Cell 雜誌在線發表了題為“DUX-miR-344-ZMYM2-Mediated Activation of MERVL LTRs Induces a Totipotent 2C-like State” 的研究論文。揭示了DUX-miR-344-ZMYM2介導的MERVL激活在全能性樣細胞產生過程中的作用。
在本項研究中，研究人員構建了Zscan4-GFP;2C::tdTomato雙報告系統來標記2CLC細胞系。通過對2CLC雙陽性（DR+/+）細胞中的核小體全局分佈及基因表達分析，確立了非編碼RNA miR-344在2CLC形成中的正向調節作用。為進一步進行分子機制研究，研究人員利用CRISPR-dCas9系統，構建了MERVL與miR-344分別激活的細胞系，結合測序分析及體內嵌合體實驗，證明了2C的開放染色質使轉錄因子（如Dux）更容易激活miR-344，而miR-344又通過多層級參與激活了MERVL。
首先，miR-344經轉錄後抑制ZMYM2和LSD1，而ZMYM2的去除導致LSD1在MERVL和2C特異性基因上的結合丟失。其次，LSD1可以作為賴氨酸特異性去甲基酶使H3K4me1和H3K4me2發生去甲基化，造成轉錄失活。因此，miR-344對LSD1的轉錄後抑制，導致MERVL和2C特異性基因的激活。第三，Dux還可以直接激活MERVL和相關的2C基因的表達。與DUX過表達一致的是，在早期胚胎髮育中siZmym2的注射可造成部分卵裂球的發育阻滯，此類胚胎的免疫染色顯示ZSCAN4和MERVL在囊胚階段的異常激活。最後，ZMYM2可以直接結合並抑制Gata2，Gata2是一種在激活MERVL/MT2和2C基因過程中發揮作用的關鍵轉錄因子。
總結
因此，研究確立了miR-344是2CLC擴展多能性和植入前發育的第一個非編碼正向調控因子，通過DUX→miR-344-|Zmym2/Lsd1-|MERVL通路來調控2CLC的全能性，增加了全能性分子控制及其向多能性轉變研究的豐富性。
美國西奈山醫學院王建龍課題組楊藩博士，黃欣博士，以及同濟大學高紹榮教授課題組博士研究生臧茹歌，為本文的共同第一作者。同濟大學生命科學與技術學院陳嘉瑜副教授也參與該研究。高紹榮教授與王建龍教授為本文的共同通訊作者。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.01.004
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