近期，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院發(fā)表了題為“USP7 restricts lineage potency in human embryonic stem cells through modulating mTOR activity”的研究論文。該研究揭示了一種限制人多能干細(xì)胞發(fā)育潛能的關(guān)鍵因子——去泛素化酶USP7，并闡釋其通過(guò)去除mTOR 蛋白上非經(jīng)典K63多泛素化修飾，從而調(diào)控 mTOR 活性的全新機(jī)制。
細(xì)胞發(fā)育潛能限制
哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育起始于受精卵，隨后經(jīng)歷連續(xù)的譜系分化，最終形成完整個(gè)體。在早期胚胎發(fā)育中，細(xì)胞第一次命運(yùn)分離發(fā)生在囊胚期，由全能性（totipotent）細(xì)胞分化為胚胎內(nèi)的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(ICM)和胚外的滋養(yǎng)外胚層(TE)。ICM細(xì)胞雖保留分化為機(jī)體所有細(xì)胞類(lèi)型的潛能，但向滋養(yǎng)外胚層等胚外組織（ExE）的發(fā)育潛能受到限制。的確，來(lái)源于ICM的體外培養(yǎng)人胚胎干細(xì)胞（human embryonic stem cells，hESCs)屬于多能性（pluripotent）細(xì)胞，展示有限的胚外組織潛能。這種從全能性向多能性的轉(zhuǎn)變標(biāo)志著細(xì)胞譜系發(fā)育潛能的限制，然而其內(nèi)在決定機(jī)制尚不明確。
刪除USP7，細(xì)胞潛能被釋放
研究人員首先發(fā)現(xiàn)，USP7缺陷的人胚胎干細(xì)胞表現(xiàn)出較強(qiáng)的單細(xì)胞存活能力。將這些細(xì)胞在擬胚體培養(yǎng)基中培養(yǎng)可形成擬胚體結(jié)構(gòu)，隨后，當(dāng)它們被轉(zhuǎn)入不含特定形態(tài)發(fā)生素的囊胚培養(yǎng)基（IVC）后，可自發(fā)形成類(lèi)似囊胚的結(jié)構(gòu)并表達(dá)胚外譜系（ExE）標(biāo)志物，相比之下，野生型人胚胎干細(xì)胞無(wú)法呈現(xiàn)類(lèi)似囊胚的結(jié)構(gòu)也不表達(dá)胚外譜系標(biāo)志物。進(jìn)一步地，研究人員將這些類(lèi)囊胚結(jié)構(gòu)的聚集體進(jìn)行貼壁培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)其能夠產(chǎn)生胚外的滋養(yǎng)層亞類(lèi)細(xì)胞—絨毛外滋養(yǎng)層細(xì)胞和合體滋養(yǎng)層細(xì)胞，同時(shí)還形成了卵黃囊腔和羊膜腔典型胚胎腔結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果表明，USP7就像人胚胎干細(xì)胞發(fā)育潛能的“剎車(chē)”，限制了它向胚外組織發(fā)育，即敲除USP7解除了人胚胎干細(xì)胞的胚外譜系發(fā)育限制，并具備了模擬早期植入后胚胎發(fā)育、形成復(fù)雜胚胎樣結(jié)構(gòu)的能力。
背后的機(jī)制：mTOR信號(hào)的調(diào)控
研究人員進(jìn)一步探索USP7限制胚外潛能的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)USP7敲除后，mTOR蛋白上的非經(jīng)典K63泛素鏈無(wú)法被去除，從而導(dǎo)致mTOR蛋白磷酸化水平上升，并增強(qiáng)mTOR信號(hào)通路活性，這使得細(xì)胞內(nèi)蛋白翻譯水平上調(diào)，尤其是多能性標(biāo)志物的蛋白水平增加，最終導(dǎo)致人胚胎干細(xì)胞的胚外譜系限制被解除。簡(jiǎn)而言之，USP7通過(guò)去除非經(jīng)典的K63多泛素化而減弱mTOR活性，進(jìn)而限制人胚胎干細(xì)胞的胚外發(fā)育潛能。
綜上，研究團(tuán)隊(duì)鑒定了USP7介導(dǎo)的非經(jīng)典K63泛素化去除這一關(guān)鍵內(nèi)源機(jī)制，闡明了其如何限制人胚胎干細(xì)胞的胚外譜系發(fā)育潛能。同時(shí)，研究也暗示蛋白翻譯控制在早期細(xì)胞命運(yùn)決定中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了細(xì)胞發(fā)育潛能限制的多維調(diào)控，而且有助于優(yōu)化模擬體外胚胎早期發(fā)育過(guò)程的培養(yǎng)體系。
潘光錦研究員和單永禮副研究員為論文的共同通訊作者，邢琦博士、李菲博士、碩士生馮瑤為論文的共同第一作者。該研究工作由中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院、中國(guó)科學(xué)院香港創(chuàng)新研究院再生醫(yī)學(xué)與健康創(chuàng)新中心等單位合作完成，并得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣東省及廣州市科技計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
圖1 USP7通過(guò)調(diào)節(jié)mTOR信號(hào)通路調(diào)節(jié)胚胎干細(xì)胞發(fā)育潛能
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