撰文 | 十一月責編 | 兮
在哺乳動物中，端粒的保護是由關鍵蛋白TRF2所介導的，TRF2會結合在染色體的末端，確保基因組的穩定性【1,2】。迄今為止，在被檢測過的所有細胞系中，TRF2的敲除都會使得染色體出現末端融合的現象。但是TRF2的敲除在胚胎幹細胞中的表型是什麼樣的還不得而知。近日，美國國家癌症研究所Eros Lazzerini Denchi研究組和英國弗朗西斯克裡克研究所Simon J. Boulton研究組、澳大利亞悉尼大學Anthony J. Cesare研究組以及克里克研究所Paulina Marzec研究組分別在Nature發表背靠背文章題為發文題為TRF2-mediated telomere protection is dispensable in pluripotent stem cells以及TRF2-independent chromosome end protection during pluripotency，揭開了多能幹細胞中不依賴於TRF2的端粒保護新機制。
染色體末端的保護對於細胞增殖以及機體穩態都非常重要。一般來說，這種保護作用是由端粒蛋白複合體（Shelterin complex）所實現的，端粒蛋白複合體會結合在末端端粒重複序列上，阻止染色體末端與末端的融合。末端融合會造成基因組的不穩定性。在哺乳動物中，TRF2會透過形成T環結構保護端粒末端，並透過抑制引發染色體末端融合經典的非同源末端連線（Non-homologous end joining，NHEJ）。TRF2是迄今為止檢測到的超過700個細胞系中對細胞增殖非常關鍵的因子，而且在小鼠中Trf2敲除也是致死的【1】。由於到目前為止所有的研究都侷限於體細胞型別，作者們想知道TRF2的作用是否在多能幹細胞保守。為此，作者們建立了TRF2條件性敲除的胚胎幹細胞系，該ES細胞系能夠表達多能性細胞標記物OCT4也能夠在體外分化。作為對照，作者們從該ES細胞系中永久分化形成了成纖維細胞類似誘導細胞系（Fibroblasts-like induced cells，FLICs）。當作者們使用藥物誘導TRF2的條件性敲除後，作者們驚訝地發現分化後的細胞對TRF2缺失表現出預期的生長停滯表型，而ES細胞卻能夠繼續增殖。為了瞭解ES細胞係為何能夠不受TRF2敲除的影響，作者們檢測了TRF2敲除ES細胞有絲分裂期染色體的分佈。與TRF2敲除FLICs細胞相比，TRF2敲除ES細胞系中的染色體沒有出現顯著的端粒融合現象。因此，作者們提出了一個假設，在胚胎幹細胞中TRF2對於端粒的保護可能並不關鍵。那麼，ES細胞系中端粒的保護機制是什麼呢？首先作者們想知道，ES細胞系統TRF2的敲除時候DNA損傷是否存在。但是透過對DNA損傷標記物的免疫染色作者們發現，TRF2敲除後的端粒與體細胞內類似，仍然出現了顯著的DNA損傷標記的富集。也就是說，TRF2敲除的ES細胞系沒有出現端粒的融合並不是因為DNA損傷沒出現，而是由其他調控機制所介導的。為了鑑定出TRF2敲除ES細胞系統端粒保護的關鍵調控因子，作者們進行了一個基因組範圍的致死性CRISPR-Cas9敲除篩選實驗，從中鑑定出了Pot1b以及Brd2。Pot1b是體細胞中編碼對端粒保護可有可無的一個端粒結合蛋白【3,4】，而Brd2是編碼與ATM訊號通路控制相關的一個轉錄調控因子【5,6】。為了進一步證明這兩個因子在ES細胞系端粒保護過程中的作用，作者們分別建立了該因子與TRF2的雙敲除ES細胞系。作者們發現，在雙敲除的ES細胞系中，染色體末端出現了顯著的融合現象。這些結果說明，在TRF2敲除的ES細胞系中，無論是ATR訊號通路（Pot1b）還是ATM訊號通路（Brd2）都可以使得ES細胞中出現TRF2敲除後的經典表型。進一步地，作者們想知道ES細胞係為什麼能夠耐受TRF2的敲除。為了揭開這一問題的答案，作者們對TRF2存在以及敲除的ES細胞系以及體細胞系進行了轉錄譜分析。作者們發現，TRF2敲除的體細胞系中出現了顯著的二細胞期基因表達的增加。其中Zscan4基因家族的基因增加更加顯著。Zscan4家族的蛋白在胚胎幹細胞中非常關鍵，是促進端粒延長以及維持基因組穩定的重要因子【7】。作者們發現在敲除Zscan4家族其中一個因子就足以在TRF2敲除的細胞系中引發端粒融合的現象發生。而在分化的TRF2敲除體細胞系中表達Zscan4則可以顯著抑制端粒融合現象。
圖1 工作模型
總的來說，兩篇背靠背的工作發現在胚胎幹細胞中端粒的保護機制與體細胞中的不同，並不依賴於經典的TRF2蛋白，而是會被ATM以及ATR訊號通路調控，同時也會被細胞全能性相關的因子比如Zscan4蛋白家族所調控（圖1）。因此，作者們的發現將端粒保護與細胞分化相聯絡，為未來對端粒生物學相關的疾病的研究提供了重要平臺。
原文連結：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2959-4https://doi.org/10.1038/s41586-020-2960-y
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