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端粒能防止染色體末端的重組和降解，對維持細胞染色體的穩定性具有重要作用【1】。成體細胞由於缺乏有效的端粒維持機制,端粒在細胞分裂中逐漸縮短,最終引發細胞分裂的停滯和衰老【1,2】。端粒縮短是引發個體衰老的重要原因,是許多人類衰老相關疾病的典型病症【3-6】。端粒的延伸可以透過兩種機制來實現：端粒酶依賴機制和不依賴端粒酶的端粒延長機制（Alternative lengthening of telomeres，ALT）【7-9】。ALT是小鼠早期胚胎和胚胎幹細胞端粒延長的重要機制 【8,10,11】。此外，約有10-15%腫瘤細胞依賴於ALT 機制來進行端粒延長【12,13】。然而，目前人們對於ALT發生過程的具體分子機制知之甚少。
2020年12月23日，來自同濟大學生命科學與技術學院高紹榮教授領導的團隊與暨南大學鞠振宇教授領導的團隊在Cell Stem Cell雜誌上發表了題為“Dcaf11 activates Zscan4-mediated alternative telomere lengthening in early embryos and embryonic stem cells”的研究成果。該研究在小鼠胚胎幹細胞中進行了ALT相關因子的篩選，發現了Dcaf11在小鼠早期胚胎和胚胎幹細胞ALT介導的端粒延伸和維持中發揮重要作用。Dcaf11缺失會導致小鼠端粒縮短，進而引發Dcaf11敲除小鼠骨髓造血幹細胞功能異常及應激狀態下的損傷修復能力顯著下降。隨後，研究人員研究了Dcaf11的互作蛋白，發現Dcaf11可促進Kap1的泛素化降解，進而啟用ALT相關基因Zscan4的表達。該工作揭示了早期胚胎ALT過程中的關鍵因子及作用機制，為進一步理解早期胚胎ALT機制提供了重要線索。
2014年，高紹榮教授課題組利用端粒酶敲除小鼠模型研究了核移植技術、iPS技術重程式設計端粒缺陷的能力，研究表明早期胚胎中存在高效修復供體細胞端粒缺陷的ALT因子【14】（第一作者為樂融融博士）。然而參與胚胎ALT機制的因子及分子機制還尚不明晰。為了解答這個問題，高紹榮課題組利用高靈敏的蛋白定量質譜技術，檢測了小鼠植入前胚胎受精卵，2-細胞，4-細胞，8-細胞，桑葚胚和囊胚等六個時期的蛋白質組資訊，成功確認了植入前胚胎中四千多個蛋白的含量變化資訊，並首次繪製了小鼠植入前胚胎蛋白質組動態圖譜【15】。基於這一資訊，團隊成員進一步在胚胎幹細胞中對早期胚胎中潛在的ALT相關基因進行了篩選，發現 Dcaf11可顯著促進胚胎幹細胞ALT的啟用。隨後研究人員構建了Dcaf11敲除小鼠，分析了Dcaf11在小鼠胚胎髮育中的作用。結果顯示Dcaf11的缺失會引起小鼠植入前胚胎髮育率下降、基因表達異常和卵裂期胚胎端粒延伸速率下降。隨Dcaf11敲除小鼠代數的增加，Dcaf11敲除小鼠端粒逐漸縮短。晚代Dcaf11敲除小鼠骨髓造血幹細胞造血重建能力及在應激狀態下的損傷修復能力顯著下降。
研究人員進一步對Dcaf11促進端粒延長的機制進行了探究。他們發現，Dcaf11作為E3泛素連線酶識別蛋白，靶向底物Kap1並促進其降解。在Dcaf11敲除的ESC中敲降Kap1可重新啟用Zscan4，進而修復Dcaf11缺失引發的端粒缺陷,表明Dcaf11透過降解Kap1來啟用Zscan4介導的端粒延伸。研究者們進一步發現Kap1可結合在Zscan4的下游增強子上，透過維持該處的H3K9me3修飾來抑制Zscan4的啟用。當細胞中過表達Dcaf11時，結合在Zscan4增強子處的Kap1被降解，Zscan4得以啟用，進而促進端粒延長。
綜上所述，這項研究揭示了Dcaf11在早期胚胎ALT介導的端粒延伸中的作用機制，為進一步理解早期胚胎端粒延伸和調控機制提供重要線索。
同濟大學高紹榮課題組助理教授樂融融博士、直博生黃憶鑫、助理研究員張豔平、暨南大學鞠振宇課題組汪虎教授、同濟大學高紹榮課題組碩士生林嘉明為該論文的共同第一作者，高紹榮教授、鞠振宇教授、樂融融助理教授為共同通訊作者。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.018
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