如何調(diào)節(jié)表觀遺傳狀態(tài)和細胞重編程

細胞重編程技術(shù)可用于獲得或研究臨床所需的目的細胞類型，在再生醫(yī)學(xué)、疾病模型構(gòu)建和藥物篩選中具有廣泛的應(yīng)用。相較于經(jīng)典的多潛能干細胞（iPSCs）重編程技術(shù)，直接重編程通過規(guī)避干細胞耗時的分化過程，能夠直接將一種成體細胞轉(zhuǎn)化為另一種所需的功能細胞類型，例如將成纖維細胞轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)神經(jīng)元（iN）細胞。然而，這些轉(zhuǎn)換過程的低效率為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來了障礙。細胞直接重編程的一個關(guān)鍵步驟是克服異染色質(zhì)的表觀遺傳屏障并打開內(nèi)源基因進行細胞類型轉(zhuǎn)換。

過往研究主要集中在轉(zhuǎn)錄因子和生化因子在細胞表型轉(zhuǎn)換中的作用，但對生物物理因子的影響知之甚少。細胞在不同時間尺度上（從幾秒到幾天）經(jīng)歷機械刺激，可能啟動力化學(xué)信號傳導(dǎo)、細胞骨架重組和染色質(zhì)重構(gòu)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，加州大學(xué)洛杉磯分校生物工程系李松教授課題組（第一作者為宋陽）在Nature Materials期刊發(fā)表了題為“Transient nuclear deformation primes epigenetic state and promotes cell reprogramming”的研究論文。該研究報道了懸浮細胞在通過一個狹窄的微流控通道時細胞核會經(jīng)歷一次快速的擠壓，這一可逆的細胞核形變過程可以顯著降低組蛋白H3K9和DNA的甲基化水平，繼而提高染色質(zhì)可及性，最終促進成纖維細胞向神經(jīng)元細胞的重編程效率。

為了直接確定核變形對染色質(zhì)重塑的影響，研究人員研究了通過擠壓懸浮細胞是否以及如何調(diào)節(jié)表觀遺傳狀態(tài)和細胞重編程，并探索了這種力學(xué)刺激方式向工業(yè)運用轉(zhuǎn)化的可行性方案。

在這項研究中，李松教授團隊通過微制造技術(shù)構(gòu)建了一套具有寬度為7μm的微通道陣列的微流控器件，并讓轉(zhuǎn)染了神經(jīng)元相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（Brn2、Ascl1、Mytl1）的懸浮成纖維細胞在20μL/min的流速下通過微通道。研究發(fā)現(xiàn)，細胞核受到擠壓的成纖維細胞其向神經(jīng)元細胞直接重編程的效率與對照組相比提高了8倍。

圖1 細胞核受到擠壓后，直接重編程效率顯著升高

通過對細胞表觀遺傳狀態(tài)的探索發(fā)現(xiàn)，細胞受到瞬時擠壓后的24小時內(nèi)，組蛋白H3K9和DNA的甲基化水平均顯著性下降。同時，力學(xué)誘導(dǎo)的H3K9me3和5m-C下降與通過抑制劑聯(lián)合處理細胞24小時后的下降水平基本一致。此外，通過與加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）王英曉教授合作，借助活細胞FRET技術(shù)實時觀測H3K9me3水平發(fā)現(xiàn)，在成纖維細胞進入微通道1分鐘內(nèi)，H3K9me3水平下降顯著。

圖2 細胞核受擠壓后組蛋白H3K9和DNA甲基化降低

為進一步推進上述微流控器件的實際應(yīng)用，李松教授團隊設(shè)計了一款高通量的微流控芯片，其在短時間內(nèi)可以實現(xiàn)百萬數(shù)量級細胞的力學(xué)刺激。此外，這一微流控器件不僅可以促進成纖維細胞向神經(jīng)元細胞重編程，也可以并不限于促進成纖維細胞向多潛能干細胞（iPSCs）重編程，以及巨噬細胞向神經(jīng)元細胞重編程。

圖3 高通量芯片設(shè)計以及多種類型重編程實踐

該研究揭示了細胞核的力學(xué)變形會影響染色質(zhì)組織形式并誘導(dǎo)更開放的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以廣泛運用于基因編輯領(lǐng)域。