北京時(shí)間11月22日凌晨，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥健康研究院的裴端卿課題組、陳捷凱課題組合作在Cell系列子刊《Cell Reports》上以Article形式發(fā)表了題為“Kdm2b Regulates Somatic Reprogramming through Variant PRC1 Complex-Dependent Function”的研究論文，首次揭示KDM2B-PRC1復(fù)合物在iPS誘導(dǎo)重編程過程中的促進(jìn)功能，并發(fā)現(xiàn)BMP信號(hào)通過削弱KDM2B-PRC1復(fù)合物在染色質(zhì)上的結(jié)合并激活中內(nèi)胚層基因的調(diào)節(jié)機(jī)制。這項(xiàng)表觀遺傳方向的基礎(chǔ)研究成果闡述了一個(gè)參與細(xì)胞潛能調(diào)控的重要蛋白質(zhì)機(jī)器的功能，并發(fā)現(xiàn)通過細(xì)胞環(huán)境調(diào)控該機(jī)器的機(jī)制，為未來誘導(dǎo)特定功能細(xì)胞提供了理論依據(jù)。 

　　Polycomb Group（PcG）蛋白家族（多梳蛋白家族）是一類進(jìn)化上極為保守的轉(zhuǎn)錄抑制因子，在發(fā)育基因的抑制中起到重要作用，和TrxG復(fù)合物（三胸復(fù)合物，主要與基因激活有關(guān)）是發(fā)育程序的“總開關(guān)”，是大部分高等多細(xì)胞生物正常發(fā)育所必須的，也是表觀遺傳領(lǐng)域的核心研究?jī)?nèi)容。PcG主要分為兩個(gè)核心復(fù)合物PRC1和PRC2，近年來發(fā)現(xiàn)高等動(dòng)物中PRC1復(fù)合物存在大量可變組分，這些非經(jīng)典的PRC1復(fù)合物并不像經(jīng)典PRC1復(fù)合物一樣需要識(shí)別并通過H3K27me3招募至染色質(zhì)，同時(shí)也呈現(xiàn)了更多變的轉(zhuǎn)錄調(diào)控現(xiàn)象，這些非經(jīng)典PRC1的功能是PcG領(lǐng)域亟待探索的重要問題。

　　在近年來鑒定的非經(jīng)典PRC1復(fù)合物中，KDM2B-PRC1.1復(fù)合物由于可以通過KDM2B的CxxC結(jié)構(gòu)域募集到CpG富集的DNA序列（CGI）而倍受關(guān)注。KDM2B（又名JHDM1B、FBXL10、NDY1）是一個(gè)組蛋白H3K36二甲基化的去甲基化酶，但KDM2B和其同家族的KDM2A相比，除了相同的去甲基化酶活性和CGI結(jié)合能力外，還能通過其C端的LRR結(jié)構(gòu)域結(jié)合PCGF1進(jìn)而招募PRC1復(fù)合物（該復(fù)合物因PCGF1也稱為PRC1.1復(fù)合物）。這也是PRC1.1復(fù)合物目前已知唯一的招募到染色質(zhì)的方法，由于大部分基因、包括幾乎全部發(fā)育相關(guān)的重要基因的啟動(dòng)子區(qū)都位于CGI，該位置的表觀遺傳修飾無疑對(duì)生命活動(dòng)有著特殊的意義。因此，KDM2B-PRC1復(fù)合物自2012年底發(fā)現(xiàn)以來就受到廣泛關(guān)注，但由于KDM2B蛋白具有多個(gè)功能結(jié)構(gòu)域，單純敲除或突變CxxC結(jié)構(gòu)域的研究方式并無法排除其他結(jié)構(gòu)域如去甲基化酶的活性的影響，目前關(guān)于該復(fù)合物直接的功能研究還很缺乏。

　　誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）是通過在體細(xì)胞中轉(zhuǎn)入Oct4、Sox2、Klf4等轉(zhuǎn)錄因子，使體細(xì)胞逆轉(zhuǎn)發(fā)育程序，重編程形成類似胚胎干細(xì)胞的多能干細(xì)胞的過程。這樣一個(gè)使細(xì)胞“返老還童”的方法可以獲得能分化成任意細(xì)胞類型的“萬能細(xì)胞”，在個(gè)性化再生治療上有著重要的意義。另一方面，由于體細(xì)胞重編程涉及到非常劇烈的細(xì)胞命運(yùn)重塑過程，分化細(xì)胞重新恢復(fù)分化能力上的多能性，需要在表觀遺傳水平上抹除原有的分化程序并建立多能性干細(xì)胞的自我更新程序，因而是研究細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)化及表觀遺傳調(diào)控的優(yōu)秀細(xì)胞模型。

　　本研究沿繼2012年本實(shí)驗(yàn)室關(guān)于維生素C可以通過KDM2A/KDM2B下調(diào)組蛋白H3K36me2水平促進(jìn)體細(xì)胞誘導(dǎo)為iPS細(xì)胞的重編程的重要發(fā)現(xiàn)，使用KDM2A作為對(duì)照研究KDM2B-PRC1的功能。研究人員發(fā)現(xiàn)在Oct4介導(dǎo)的iPS誘導(dǎo)過程中，過表達(dá)Kdm2b相比于過表達(dá)Kdm2a，能更加顯著地提升體細(xì)胞重編程效率。為確定這一促進(jìn)功能對(duì)PRC1招募的依賴性，研究人員刪除了Kdm2b負(fù)責(zé)招募PRC1的LRR結(jié)構(gòu)域（KDM2B-ΔLRR），以及對(duì)Pcgf1等KDM2B-PRC1復(fù)合物關(guān)鍵因子進(jìn)行敲降，這些結(jié)果都證明KDM2B對(duì)重編程的促進(jìn)作用是依賴于PRC1的募集的。

　　陳捷凱博士等人在2011年曾報(bào)道BMP信號(hào)可以顯著促進(jìn)Oct4單因子誘導(dǎo)的iPS細(xì)胞形成，因此在該研究中，研究人員希望結(jié)合BMP信號(hào)和KDM2B來獲得更高效的Oct4單因子重編程，出乎意料的是，兩者同時(shí)使用時(shí)，重編程效率比單獨(dú)加其中任何一者都要更低，這提示BMP信號(hào)會(huì)對(duì)KDM2B-PRC1進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究人員使用KDM2A和KDM2B-ΔLRR作為對(duì)照，證明PRC1的招募能力是出現(xiàn)這一抑制因素的原因。進(jìn)一步的ChIP-seq實(shí)驗(yàn)表明，加入BMP后，KDM2B、H2AK119泛素化在CGI區(qū)的水平出現(xiàn)了顯著的下降，后續(xù)研究表明，BMP下游的Smad1蛋白可以與KDM2B相互作用，并導(dǎo)致KDM2B在染色質(zhì)上的結(jié)合能力下降。這種KDM2B-PRC1的結(jié)合削弱會(huì)導(dǎo)致顯著的中內(nèi)胚層基因表達(dá)，從而改變了細(xì)胞的命運(yùn)走向。

　　本研究發(fā)現(xiàn)了KDM2B-PRC1.1復(fù)合物的一個(gè)顯著的生物學(xué)功能，可以作為一個(gè)抓手進(jìn)一步深入研究該復(fù)合物的生理功能。研究也以一個(gè)意料之外的結(jié)果作為契機(jī)，首次闡明了BMP信號(hào)調(diào)控KDM2B-PRC1的機(jī)制，進(jìn)一步豐富了信號(hào)通路調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)決定的機(jī)制，也為通過胞外環(huán)境調(diào)節(jié)細(xì)胞表觀遺傳狀態(tài)提供了新的理論基礎(chǔ)。

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廣州生物院首次揭示KDM2B-PRC1在重編程中的功能