責編 | 酶美

成人幹細胞的自我更新和分化一直是研究熱點。多種面板疾病和表皮幹細胞穩態調控失衡有關。過往對錶皮幹細胞自我更新和分化的研究集中在轉錄水平和表觀遺傳水平上。Sen實驗室以及其他研究者的過往研究已經證實表觀遺傳調控因子DNMT1、EZH2、ACTL6A和轉錄因子P63 等在抑制表皮幹細胞分化的轉錄調控過程中的重要作用【1-4】。而表觀遺傳因子JMJD3和BRD4以及轉錄因子KLF4、GRHL3和ZNF750則是促進表皮幹細胞分化的重要調控因子【5-8】。

真核生物的mRNA的合成依賴於以基因組為模板的RNA聚合酶II（RNA Polymerase II， Pol II）的轉錄，這個過程主要分為轉錄起始（initiation）、延伸（elongation）和終止（termination）三個步驟。其中每個步驟都涉及到Pol II和不同的轉錄起始因子、延伸因子或終止因子之間的相互作用和調控。近年來，研究者們發現轉錄因子（如YAP和C-MYC）除了能招募 RNA Pol II 到目標基因並激活其轉錄之外，還能調控RNA Pol II 的啟動子近端暫停（Promoter proximal pausing）和釋放（release），以及轉錄延伸等過程【9-10】。在轉錄起始後， RNA Pol II 在合成一小段RNA後，暫停在啟動子下游（20-60 bp）的現象，稱為RNA Pol II 的啟動子近端暫停。暫停的Pol II可能被轉錄延伸因子啟用而繼續轉錄延伸過程併合成RNA，也可能透過啟動子近端終止的方式直接從染色質上的啟動子附近解離【11】。研究者們在果蠅和胚胎幹細胞中發現，這個現象能在轉錄水平上調控一些和發育相關基因的表達【12-14】，然而目前還沒有在成人幹細胞中的報道。

近日，加州大學聖地亞哥分校面板科李婧婷/George Sen團隊等在Nature Communications上發表了題為SPT6 Promotes Epidermal Differentiation and Blockade of an Intestinal-Like Phenotype through Control of Transcription Elongation的文章。

該研究表明，大約30%的表皮分化基因在未分化狀態下已經有Pol II啟動子近端暫停。而這些基因在被誘導分化時能快速地進入轉錄延伸階段。這說明Pol II的啟動子近端暫停和轉錄延伸是表皮幹細胞分化的重要調控步驟。他們進一步用RNA-Seq、ChIP-Seq證實轉錄延伸因子SPT6能結合表皮幹細胞的分化基因並調控其轉錄延伸，促進表皮幹細胞分化相關基因的表達並維持其表型。

另一方面，SPT6蛋白的缺失不僅能阻止表皮幹細胞的分化，更能促進表皮幹細胞向小腸樣細胞的分化。透過ATAC-Seq 分析，他們進一步發現 SPT6蛋白的缺失造成了~11%染色質的可進入性（chromatin accessibility）下降，而這些區域都是P63的結合位點。P63是表皮幹細胞自我更新和分化重要調控因子。SPT6蛋白的缺失是透過抑制P63基因的轉錄延伸，導致其表達下降。而過表達P63能逆轉SPT6蛋白缺失導致的表皮細胞小腸化。

綜上，該研究首次揭示了RNA聚合酶II啟動子近端暫停在成人幹細胞的分化中的重要調控作用，並且建立了SPT6作為一個轉錄延伸因子，在維持表皮幹細胞的分化及表型，同時阻止其小腸化中的關鍵作用。該研究為闡明面板腫瘤、創傷癒合以及巴雷斯特食道症（Barrett’s esophagus，食管腸化生）的機制提供理論基礎。

李婧婷博士現就職於中山大學附屬第一醫院精準醫學研究院，中山大學百人計劃引進人才，副研究員，博士生導師。陳德猛/李婧婷課題組因科研工作需要，現面向國內外公開誠聘博士後和科研助理數名。。

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原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21067-w

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參考文獻

1. Sen, G. L., Reuter, J. A., Webster, D. E., Zhu, L. & Khavari, P. A. DNMT1 maintains progenitor function in self-renewing somatic tissue. Nature 463, 563-567, doi:10.1038/nature08683 (2010).

2. Sen, G. L., Webster, D. E., Barragan, D. I., Chang, H. Y. & Khavari, P. A. Control of differentiation in a self-renewing mammalian tissue by the histone demethylase JMJD3. Genes Dev 22, 1865-1870, doi:10.1101/gad.1673508 (2008).

3. Ezhkova, E. et al. Ezh2 orchestrates gene expression for the stepwise differentiation of tissue-specific stem cells. Cell 136, 1122-1135, doi:S0092-8674(09)00006-3 [pii] 10.1016/j.cell.2008.12.043 (2009).

4. Bao, X. et al. ACTL6a enforces the epidermal progenitor state by suppressing SWI/SNF-dependent induction of KLF4. Cell Stem Cell 12, 193-203, doi:10.1016/j.stem.2012.12.014 (2013).

5. Yang, A. et al. p63 is essential for regenerative proliferation in limb, craniofacial and epithelial development. Nature 398, 714-718, doi:10.1038/19539 (1999).

6. Segre, J. A., Bauer, C. & Fuchs, E. Klf4 is a transcription factor required for establishing the barrier function of the skin. Nat Genet 22, 356-360 (1999).

7. Sen, G. L. et al. ZNF750 is a p63 target gene that induces KLF4 to drive terminal epidermal differentiation. Dev Cell 22, 669-677, doi:10.1016/j.devcel.2011.12.001 (2012).

8. Jones, J. et al. BRD4 Is Necessary for Differentiation Downstream of Epidermal Lineage-Determining Transcription Factors. J Invest Dermatol, doi:10.1016/j.jid.2020.01.030 (2020).

9. Rahl, P. B. et al. c-Myc regulates transcriptional pause release. Cell 141, 432-445, doi:10.1016/j.cell.2010.03.030 (2010).

10. Galli, G. G. et al. YAP Drives Growth by Controlling Transcriptional Pause Release from Dynamic Enhancers. Mol Cell 60, 328-337, doi:10.1016/j.molcel.2015.09.001 (2015).

11. Liu, X., Kraus, W. L. & Bai, X. Ready, pause, go: regulation of RNA polymerase II pausing and release by cellular signaling pathways. Trends Biochem Sci 40, 516-525, doi:10.1016/j.tibs.2015.07.003 (2015).

12. Muse, G. W. et al. RNA polymerase is poised for activation across the genome. Nat Genet 39, 1507-1511, doi:10.1038/ng.2007.21 (2007).

13. Zeitlinger, J. et al. RNA polymerase stalling at developmental control genes in the Drosophila melanogaster embryo. Nat Genet 39, 1512-1516, doi:10.1038/ng.2007.26 (2007).

14. Guenther, M. G., Levine, S. S., Boyer, L. A., Jaenisch, R. & Young, R. A. A chromatin landmark and transcription initiation at most promoters in human cells. Cell 130, 77-88, doi:S0092-8674(07)00681-2 [pii] 10.1016/j.cell.2007.05.042 (2007).