在发育过程中，表观遗传调控因子和谱系特异性转录因子的协调在细胞谱系命运决定中发挥着关键作用。多梳抑制复合物（ , PRCs）在小鼠原肠胚形成和人类胚胎干细胞（human stem cells, hESCs）神经外胚层中起重要作用，但其分子基础尚不清楚。
9月6号，中国科学院广州生物医药与健康研究院潘光锦研究员和单永礼博士，在Cell 在线发表题为“ of EZH2 and SOX2 Human Fate ”的研究论文。科研人员发现在hESCs中，EZH2和SOX2协同作用决定神经细胞命运，其中EZH2主要抑制竞争的中胚层基因表达，而SOX2激活神经基因表达。这为理解表观遗传因子和谱系特异性转录因子的协调作用决定谱系命运的机制提供了见解。
染色质的多梳抑制复合物在早期胚胎发育期间的谱系决定中必不可少。多梳家族蛋白（PcG ）形成两个PRC复合物，PRC1和PRC2。PRC2包含核心成分EZH1、EZH2、EED和SUZ12，催化组蛋白H3赖氨酸27三甲基化（），而PRC1包含E3泛素连接酶和，介导组蛋白H2A在赖氨酸119位点的单泛素化（）。PRC2和通过抑制关键谱系和发育基因在维持胚胎干细胞（ESCs）的多能性方面发挥着重要作用。然而，目前尚不清楚PRCs和在早期发育过程中具体如何决定神经细胞命运。
01
EZH2基因敲除的hESCs不能生成神经元亚型/胶质细胞
研究表明在畸胎瘤形成过程中，EZH2基因敲除的hESCs不能产生神经外胚层。为了研究其潜在的分子机制，科研人员分析了在特定条件下EZH2缺失hESCs的神经分化。在EZH2基因敲除的细胞中，未能检测到神经元/胶质细胞分化。综上所述，EZH2基因敲除的hESCs神经细胞即使表达SOX2、PAX6和等早期鼻咽癌基因，也不能生成下游的神经细胞。
EZH2基因敲除的hESCs不能生成神经元亚型/胶质细胞
02
EZH2基因敲除的hESCs在神经诱导过程中异常表达中胚层/内胚层基因
科研人员分析了EZH2基因敲除的hESCs在神经分化过程中的基因表达谱。EZH2基因敲除的hESCs早期诱导了许多NPC标志物，但在神经分化后期受到抑制。在神经分化过程中，EZH2基因敲除细胞中的中内胚层基因，明显被抑制。这些数据表明，在神经命运决定过程中，EZH2的缺失导致了中内胚层基因程序的异常激活。综上所述，在没有EZH2的情况下，中内胚层基因在神经分化过程中被解除抑制并异常地激活。
03
在神经细胞命运决定中EZH2抑制中胚层/内胚层基因表达
为研究EZH2在神经细胞分化中的作用，研究人员分析了转录组数据和ChIP-seq数据。对照细胞中上调的基因与神经外胚层功能高度相关。下调的基因在细胞连接和细胞外基质组织功能上富集。在神经功能上调的基因中，对照组细胞中随着时间的变化，EZH2和结合明显减少，表明神经基因在神经分化过程中失去了EZH2和富集。EZH2缺陷诱导的基因表现出更高的EZH2结合和。综上所述，EZH2在hESC分化中抑制中胚层/内胚层基因，同时激活了神经细胞基因表达，以决定神经细胞命运。
04
在神经细胞命运决定中EZH2抑制中胚层/内胚层基因表达
SOX2是维持ESCs多能性并调控神经谱系的关键转录因子。为了研究EZH2和SOX2在神经命运决定中的协调作用，研究人员分析了hESCs神经分化中的ChIP-seq，发现在未分化的hESCs中，EZH2抑制的神经基因被SOX2预先结合。随后，部分EZH2/SOX2共结合基因在神经细胞中丢失了EZH2而保留了SOX2，这些基因仅与神经谱系功能相关。在表达水平上，SOX2缺失的基因在分化后期的细胞中继续受到抑制，而EZH2缺失的基因则得到了抑制。EZH2缺失后，分化后期的细胞中，EHZ2结合基因上调， 而SOX2结合基因无明显变化。综上所述，这些数据揭示了在神经细胞命运决定中，SOX2预结合了未分化hESCs中被EZH2直接抑制的关键神经命运基因。总之，SOX2和EZH2在hESCs中发挥不同的作用，但在决定神经细胞命运方面是相互协调。
05
总结
在本研究中，研究者采用不同的实验方法，如基因敲除, RNA-seq, ChIP-seq等，发现EZH2通过抑制竞争的中胚层/内胚层，决定的神经命运决定。在神经诱导过程中，敲除EZH2显示出异常的中胚层/内胚层基因的重新激活。在分子水平上，EZH2抑制中胚层/内胚层基因，而SOX2激活神经基因，协调指作用决定神经细胞命运。此外，EZH2还通过抑制培养过程中中胚层/内胚层程序的异常表达，支持人类神经祖细胞的增殖。总之，研究揭示了表观遗传调控因子(如EZH2)和谱系因子(如SOX2)在神经细胞命运决定中的协调作用。
作者简介：
潘光锦 研究员
中国科学院广州生物医药与健康研究院，研究员。
研究领域：人胚胎干细胞多能性及自我更新的分子生物学调控和人诱导性多能干细胞的形成及临床应用的可行性实验室研究。
of EZH2 and SOX2 human fate | Cell | Full Text ()
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