廣州生物院首次揭示KDM2BPRC1在重編程中的功能

　　北京時間11月22日凌晨，中國科學院廣州生物醫藥健康研究院裴端卿課題組、陳捷凱課題組合作，以Kdm2b Regulates Somatic Reprogramming through Variant PRC1 Complex-Dependent Function為題的研究論文，發表在Cell Reports上。研究首次揭示KDM2B-PRC1復合物在iPS誘導重編程過程中的促進功能，發現BMP信號通過削弱KDM2B-PRC1復合物在染色質上的結合并激活中內胚層基因的調節機制。這項表觀遺傳方向的基礎研究成果闡述了一個參與細胞潛能調控的重要蛋白質機器的功能，并發現通過細胞環境調控該機器的機制，為未來誘導特定功能細胞提供了理論依據。

　　Polycomb Group（PcG）蛋白家族（多梳蛋白家族）是一類進化上極為保守的轉錄抑制因子，在發育基因的抑制中起重要作用，和TrxG復合物（三胸復合物，主要與基因激活有關）是發育程序的“總開關”，是大部分高等多細胞生物正常發育所必須的，也是表觀遺傳領域的核心研究內容。PcG主要分為兩個核心復合物PRC1和PRC2，近年來發現高等動物中PRC1復合物存在大量可變組分，這些非經典的PRC1復合物并不像經典PRC1復合物一樣需要識別并通過H3K27me3招募至染色質，同時呈現了更多變的轉錄調控現象，這些非經典PRC1的功能是PcG領域亟待探索的問題。

　　在近年來鑒定的非經典PRC1復合物中，KDM2B-PRC1.1復合物由于可以通過KDM2B的CxxC結構域募集到CpG富集的DNA序列（CGI）而倍受關注。KDM2B（又名JHDM1B、FBXL10、NDY1）是一個組蛋白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結合能力外，還能通過其C端的LRR結構域結合PCGF1進而招募PRC1復合物（該復合物因PCGF1也稱PRC1.1復合物）。這也是PRC1.1復合物目前已知唯一的招募到染色質的方法，由于大部分基因、包括幾乎全部發育相關的重要基因的啟動子區都位于CGI，該位置的表觀遺傳修飾對生命活動有特殊意義。因此，KDM2B-PRC1復合物自2012年底發現以來就受到廣泛關注，但由于KDM2B蛋白具有多個功能結構域，單純敲除或突變CxxC結構域的研究方式并無法排除其他結構域如去甲基化酶的活性的影響，目前關于該復合物直接的功能研究較為缺乏。

　　誘導多能干細胞（iPS細胞）是通過在體細胞中轉入Oct4、Sox2、Klf4等轉錄因子，使體細胞逆轉發育程序，重編程形成類似胚胎干細胞的多能干細胞的過程。這樣一個使細胞“返老還童”的方法可以獲得能分化成任意細胞類型的“萬能細胞”，在個性化再生治療上有重要意義。另一方面，由于體細胞重編程涉及非常劇烈的細胞命運重塑過程，分化細胞重新恢復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胞的自我更新程序，因而是研究細胞命運轉化及表觀遺傳調控的優秀細胞模型。

　　此項研究沿繼2012年該實驗室關于維生素C可以通過KDM2A/KDM2B下調組蛋白H3K36me2水平，促進體細胞誘導為iPS細胞的重編程的重要發現，使用KDM2A作為對照研究KDM2B-PRC1的功能。研究人員發現在Oct4介導的iPS誘導過程中，過表達Kdm2b相比于過表達Kdm2a，能更顯著地提升體細胞重編程效率。為確定這一促進功能對PRC1招募的依賴性，研究人員刪除了Kdm2b負責招募PRC1的LRR結構域（KDM2B-ΔLRR），以及對Pcgf1等KDM2B-PRC1復合物關鍵因子進行敲降，這證明KDM2B對重編程的促進作用是依賴于PRC1的募集的。

　　陳捷凱等在2011年曾報道BMP信號可顯著促進Oct4單因子誘導的iPS細胞形成，因此在該研究中，研究人員希望結合BMP信號和KDM2B來獲得更高效的Oct4單因子重編程，出乎意料的是，兩者同時使用時，重編程效率比單獨加其中任何一者都要更低，這提示BMP信號會對KDM2B-PRC1進行調節。研究人員使用KDM2A和KDM2B-ΔLRR作為對照，證明PRC1的招募能力是出現這一抑制因素的原因。進一步的ChIP-seq實驗表明，加入BMP后，KDM2B、H2AK119泛素化在CGI區的水平出現顯著下降，后續研究表明，BMP下游的Smad1蛋白可以與KDM2B相互作用，導致KDM2B在染色質上的結合能力下降。這種KDM2B-PRC1的結合削弱會導致顯著的中內胚層基因表達，從而改變了細胞的命運走向。

　　該研究發現KDM2B-PRC1.1復合物的一個顯著的生物學功能，可作為一個抓手進一步深入研究該復合物的生理功能。研究也以一個意料之外的結果作為契機，首次闡明了BMP信號調控KDM2B-PRC1的機制，進一步豐富了信號通路調控細胞命運決定的機制，也為通過胞外環境調節細胞表觀遺傳狀態提供了新的理論基礎。

廣州生物院首次揭示KDM2B-PRC1在重編程中的功能