DNA甲基化是体细胞重编程过程中重要的表观遗传屏障

DNA甲基化是体细胞重编程过程中重要的表观遗传屏障。然而，整个基因组的甲基化是如何被重新编程的，这在很大程度上仍是未知的。Sardina等人通过绘制正在重新编程的细胞的DNA甲基化图来解决这个问题，并表明TET蛋白和转录因子协同配合去甲基化对重新编程至关重要。

DNA甲基化在哺乳动物发育过程中起着重要的转录调控作用。两种酶系统，即DNA甲基转移酶(DNMT)和10 - 11易位蛋白(TET)，甲基化和去甲基化DNA从C到5-甲基胞嘧啶(5mC)，再回到C，建立全基因组的甲基化模式，这是决定细胞命运所必需的。不适当的甲基化通过DNMTs或TETs导致发育异常和疾病。例如，缺失或抑制TET蛋白与小鼠学习和记忆不良和人类急性髓系白血病等缺陷有关。

多能干细胞，包括胚胎干细胞和诱导多能干细胞(iPSCs)，是分析发育过程的良好模型系统，与体细胞不同的是，它们处于DNA低甲基化状态。在成熟因子(如Oct4和Nanog)中发现的基因调控元件(GREs)在体细胞中高度甲基化以保持沉默，它们必须在iPSC生成过程中进行去甲基化。部分重编程细胞在重编程过程中出现，主要是由于不能去甲氧基化和不能还原多能基因。相比之下，增强子和启动子在完全重编程的iPSCs中表现得很低调，因此，DNA甲基化，无论是被动的还是主动的，都是成功重编程的限速步骤。然而，在重新编程过程中，控制去甲氧基姜黄素- 脱羟基的具体机制仍不清楚。

Sardina等人使用了一个B细胞重编程系统，其中ccaat - enhancercerbinding protein a (C/EBPa)可以在4天内将B细胞重编程到Ba0状态，然后用可诱导的Oct4、Sox2、Klf4和C - myc (OSKM)完成重编程，并演示了两波去甲基化过程。第一个过程包括B-Ba0-第1天细胞阶段的主动去甲基化，第二个过程包括第2天4天的被动去甲基化。由于这个B细胞重编程系统遵循了小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)重编程中染色质可及性动力学的相同二进制逻辑，因此它应该为探索DNA甲基化与染色质可及性之间的关系提供巨大的机会。有趣的是,当与化验分析transposaseaccessible染色质测序数据,萨迪纳等人表明染色质位点发生脱甲基的一部分被打开或之前脱甲基作用在可访问性(dba)富含AP1之前,Klf, Oct4图案,符合关闭打开(CO) 2 co4富含AP-1, Oct4、袜,Klf图案观察之前。这些结果很可能使Klf4、Oct4和Sox2成为先锋因子，因为它们可以与这些位点结合。在重新编程MEFs时，Sardina等人还发现了3827位dba, 463个区域与B细胞数据集共享。然而，当Klf4单独过度表达时，只有Klf4发挥了超级先锋的作用，这表明Klf4在重新编程过程中介导去甲基化过程中起着主导作用。

KLF4介导去甲基化的候选伙伴应该是作为所有TETs (Tet1, Tet2, Tet3，三重敲除或TKO)完全敲除的一种TET蛋白，因为MEFs无法进行间充质-上皮转化(MET)而取消了重编程。这可能是由于TKO导致miR-200启动子的高甲基化状态，而miR-200启动子是MET的关键调控因子。因此，DNA去乙基化似乎是由粉防己酶精确协调的。此外，单个TET蛋白的缺失会导致不同的表型，Tet2的缺失对重新编程的影响最大，缺失后iPSC的生成明显减少，说明Tet2对重新编程非常重要。此外，研究还表明，过表达TET2可促进脱乙基酶活性依赖性的重编程。早期激活Tet2，然后招募到Nanog和Esrrb位点，将5mC转化为5-羟甲基胞嘧啶。因此，TET2很可能成为KLF4协调其先导功能的候选合作伙伴。在这三种TETs中，Sardina等人发现在MEF和B细胞重编程系统中，只有Tet2被提前激活。此外，当在MEFs中过表达时，Tet2可以去除miR-200启动子上的甲基化，使TKO MEFs免于重编程缺陷。因此，Klf4以及其他转录因子(TFs)可能在重新编程时招募Tet2去甲基化染色质可达性动力学临界位点。

图1在TF指导下的TETs重编程过程中的脱甲基动力学：转录因子(TFs)引导ten- 11易位(TET)蛋白在B细胞重编程过程中以级联方式去甲基化染色质位点，从而诱导多能干细胞。这些TFs可能在不同的重编程阶段(细胞类型)调节不同的基因调控网络。

为了探究这个问题，Sardina等人测试了TFs引导TET蛋白靶向位点并促进去甲基化的想法(见上图)。在此基础上，Tet2靶向于Oct4、Sall4、Esrrb、Nanog和Zfp42等多能基因，介导相关GREs的去甲基化。同时，C/EBPa也可以结合Klf4的两种造血促进剂，激活其表达。在天真的状态下，51%的Tet2结合位点与Klf4重叠，表明Klf4与Tet2可能在功能上进行合作。实际上，Klf4与Tet2结合，引导其进入高甲基化和不可到达的染色质位点，从而去甲基化，释放被抑制的多能增强子，这表明Klf4具有新型的先导活性。因此，KLF4可能在C/EBPainduced Ba0重编程之后启动重编程阶段。最后，幼稚多能因子Tfcp2l1也可以与Tet2相互作用，并将其招募到多能基因的GREs中，多能基因在重新编程后期进行去甲基化。

总体而言，Sardina等人的研究提供了在重编程过程中TFs、TETs和DNA去甲基化之间相互作用的复杂分析。他们令人信服地表明，TFs在重新编程的不同阶段招募和引导TETs去甲基化并激活这些基因。这般原则应该适用于更广泛的情况，如发展和癌症。中断这一过程可能导致癌症的治疗，特别是涉及到TET蛋白的恶性过程。