《动物所揭示干细胞维持年轻态的表观遗传机制》

  • 来源专题:生物科技领域知识集成服务
  • 编译者: 陈方
  • 发布时间:2020-04-08
  • DGCR8作为经典miRNA合成通路中的关键蛋白,广泛参与非编码RNA合成、mRNA可变剪接和转录后调控等重要生物学过程,但其在干细胞衰老中的调控作用尚不明确。2019年7月26日,中国科学院动物所曲静研究组和中国科学院生物物理研究所刘光慧研究组合作,在Nature Communications上发表论文,首次报道了miRNA合成通路关键因子DGCR8通过稳固异染色质抑制人间充质干细胞衰老的新型生物学功能,为延缓器官衰老、防治衰老相关疾病提供新型潜在干预靶标。
    在该项研究中,研究人员利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术和干细胞定向诱导分化技术,获得DGCR8功能缺陷型人间充质干细胞,并观察到这些细胞出现加速衰老的表型。进一步研究发现,DGCR8可与核膜蛋白Lamin B1以及异染色质蛋白KAP1和HP1形成复合物,共同参与维持异染色质结构的稳定性,从而保持人间充质干细胞的年轻态。此外,在复制性衰老、生理性衰老以及早衰症加速衰老的人间充质干细胞中,DGCR8的表达水平均发生下调,而过表达野生型的DGCR8或miRNA加工活性缺失的DGCR8突变体均可有效延缓人间充质干细胞的衰老。更重要的是,基于DGCR8过表达的基因治疗可有效抑制小鼠关节组织衰老,促进关节软骨再生,缓解损伤性骨关节炎及衰老性骨关节炎的病理表型。
    这是继近期曲静研究组合作揭示干细胞“年轻因子”CBX4和“年轻通路”YAP-FOXD1后骨关节炎基因治疗领域的又一创新性发现。这些研究结果均证明通过基因疗法导入“干细胞去衰老因子”治疗骨关节炎的可行性,具有潜在的临床应用价值。

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    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2023-02-13
    •   种子的出现,使高等植物能够在多样的自然环境中得以广泛生存和分布。产生高活力的种子从而在环境条件合适时迅速萌发并发育产生健壮的幼苗是高等植物繁衍的关键,也是农业生产中种子品质的重要指标。然而,在种子形成时,其萌发和胚后发育的能力如何产生,尚不清楚。        近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所姜丹华研究组在《自然-通讯》(Nature Communications)上,发表了题为Histone H3.3 deposition in seed is essential for the post-embryonic developmental competence in Arabidopsis的研究论文。该研究发现了一个组蛋白H3的变体H3.3在染色质上的装配是种子获得萌发和胚后发育能力的关键,并分析了H3.3在其中可能发挥的调控机制,为进一步阐释种子活力的形成机制奠定了基础。        对H3.3完全敲除的拟南芥突变体的研究发现,该突变体能够正常产生成熟的种子,且形态和种子储藏蛋白等指标均与野生型一致。然而,h3.3突变体种子无法正常萌发,抑或是少数萌发的种子也在萌发后立即停止发育。研究分析H3.3在种子染色质上的分布发现,其在成熟种子中具有特异的基因5’端/启动子区和基因3’端均富集的分布模式,而在营养组织如幼苗中H3.3仅在基因3’端富集。H3.3对于成熟种子中染色质开放性的形成颇为重要,促进基因5’端/启动子区的开放,从而使种子在萌发时感知环境以及胚后发育的基因能够正常表达。此外,H3.3在基因3’端抑制染色质的开放性和基因上的异常转录 (cryptic transcription)。   该研究揭示了植物通过组蛋白变体H3.3在种子中的特异装配,从而“打开”染色质为其萌发和胚后发育做了准备机制。因而在一定程度上H3.3具有类似先锋因子在细胞命运调节中的作用。作为一种替代(replacement)组蛋白,H3.3在较多植物细胞的分化时均发生明显富集。因此,H3.3可能是植物细胞命运决定的关键因子,对其作用机制的进一步研究将有助于探索植物再生等重要科学问题。        研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。
  • 《动物研究所合作揭示调控灵长类器官衰老的表观转录组机制》

    • 来源专题:生物育种
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2023-04-13
    • m6A是目前已知的真核细胞mRNA上最为常见的一类化学修饰,它的建立、读取和擦除分别受到相应甲基化酶(writer)、结合蛋白(reader)以及去甲基化酶(eraser)的动态可逆调控。研究表明,m6A能够通过调节mRNA的剪接、出核、稳定性以及翻译等生命周期活动,参与调控机体的诸多生理或病理进程,包括胚胎发育、肿瘤以及神经退行性疾病的发生等。然而,在生理性衰老过程中,m6A对于器官稳态维持的调控作用以及关键分子机制均有待阐明。   2023年4月6日,中国科学院动物研究所刘光慧研究组、曲静研究组联合中国科学院北京基因组研究所慈维敏研究组以及张维绮研究组在Nature Aging杂志在线发表了题为“m6A epitranscriptomic regulation of tissue homeostasis during primate aging”的研究论文。该研究利用非人灵长类动物(食蟹猴)生理性衰老的多器官研究模型,同时结合基于基因编辑和人类干细胞定向分化的研究体系,通过系统绘制器官和细胞衰老过程中RNA m6A修饰的动态图谱,解析了RNA甲基化修饰及相关基因表达稳态的变化规律,并深入阐释了METTL3–m6A–NPNT通路调控骨骼肌衰老的新型机制。   在这项工作中,研究人员通过对年轻和年老食蟹猴的肝脏、骨骼肌和心脏进行系统的组织学分析发现,脂肪蓄积增加、炎症因子上调以及核纤层蛋白Lamin B1下调是三种组织衰老的共性特征;此外还发现骨骼肌中的凋亡细胞增加、肌纤维萎缩、以及心脏中的心肌纤维肥大等组织特异的衰老相关退行性变化。随后,通过联合分析三种组织的m6A表观修饰图谱及相应的转录组图谱,研究人员揭示了m6A修饰和基因表达稳态之间的相关性以及不同组织共性和特性的衰老调控规律。相较于肝脏和心脏,研究人员在骨骼肌中特异性地检测到了整体m6A修饰的减少以及核心甲基化酶METTL3表达水平的降低。进而通过CRIPSR/Cas9技术,研究人员建立了由人类胚胎干细胞衍生的METTL3敲除的肌管细胞,发现METTL3的缺失导致肌管细胞发生萎缩、凋亡以及加速衰老等退行性变化,与衰老骨骼肌的表型一致。进一步的机制研究揭示了NPNT作为METTL3的下游效应因子发挥维持骨骼肌细胞稳态的作用,而慢病毒载体介导的METTL3或NPNT回补表达均能一定程度上延缓人类肌管细胞的衰老。最后,通过METTL3酶活抑制剂处理以及METTL3酶活突变体过表达等相关实验,研究人员证实了METTL3通过m6A催化活性依赖的方式促进NPNT的表达以及维持肌管细胞的稳态,并且发现m6A结合蛋白IGF2BP1可以结合并稳定受到m6A修饰的NPNT mRNA。   综上所述,该研究系统揭示了三种重要的灵长类器官/组织在生理性衰老过程中的动态m6A修饰变化及其与基因表达稳态的关系,并且深入阐明了METTL3–m6A–NPNT通路维持人类骨骼肌稳态的作用和机制。研究深化了人们对m6A参与维持人类器官功能稳态的认识以及对衰老的表观转录调控机理的理解,为研究骨骼肌衰老提供了一个有效整合灵长类器官模型和人类干细胞衍生物体系的系统性平台,同时也为延缓骨骼肌衰老或治疗与年龄相关的骨骼肌退行疾病(如肌少症)提供了潜在的分子靶标和干预策略。   该工作由中国科学院动物研究所、中国科学院北京基因组研究所(国家生物信息中心)、中国科学院干细胞与再生医学创新研究院、首都医科大学宣武医院等多家机构合作完成。中国科学院动物研究所刘光慧研究员、中国科学院北京基因组研究所慈维敏研究员和张维绮研究员、以及中国科学院动物研究所曲静研究员为文章的共同通讯作者。中国科学院动物研究所特别研究助理武泽明、中国科学院北京基因组研究所博士研究生路明明、中国科学院动物研究所硕士研究生刘迪、中国科学院北京基因组研究所史悦副研究员、任捷研究员以及首都医科大学宣武医院王思研究员为文章的并列第一作者。该研究同时得到了中国科学院北京基因组研究所杨运桂研究员、肖景发研究员以及中国科学院动物研究所魏妥研究员的合作与支持,并获得了国家科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等项目的大力资助。   原文链接:https://doi.org/10.1038/s43587-023-00393-2