一花一世界，一胞一乾坤。我们体内的细胞就像我们每个人，各有其独特的命运和身份。细胞的命运和身份主要由其独特的基因调控网络决定和维持 [1]。细胞命运决定或维持过程出现错误均可能导致疾病发生。然而，有丝分裂作为多细胞生物生长和维持的基石，却给细胞命运或身份的跨代继承带来了巨大挑战。细胞在进入有丝分裂后，染色质高度凝集成染色体，绝大多数构成基因调控网络的元件，如转录因子和染色质重塑因子等，从染色体上剥离或降解，转录活动几乎完全停滞 [2-4]。随着其独特基因调控网络在有丝分裂期的「分崩离析」，细胞好似进入短暂失忆状态。那么，细胞在退出有丝分裂进入分裂间期时，是如何精确、及时地重建其独特的基因调控网络的呢？关乎细胞命运或身份的「记忆」在有丝分裂期如何被精确储存，在分裂间期又如何被及时唤醒呢？
有丝分裂书签被认为是细胞跨代维持其命运记忆的一种可能策略。特定的转录因子或染色质重塑因子可以在有丝分裂期保留在高度致密的染色体上，作为书签因子特异「标记」关键命运基因以促进其转录的快速重新激活，从而确保细胞命运记忆的精确、及时传递。然而，过去几十年间相关有丝分裂书签的重要研究几乎都在体外培养的细胞中完成 [5-7]。有丝分裂书签在如神经发育这样复杂生理条件下的生理学功能及分子调控机理仍是领域内关键的未解之谜。
2024 年 12 月 10 日，北京大学生命科学学院宋艳课题组在国际知名学术期刊 Molecular Cell 上在线发表了题为「TBP bookmarks and preserves neural stem cell fate memory by orchestrating local chromatin architecture」的最新研究成果。该研究发现在神经发育过程中，转录因子 TBP 通过招募染色质重塑因子 EP400 增加局部染色质可及性，作为有丝分裂书签保留在神经干细胞染色体上，进而维持神经干细胞的命运记忆。
在前期相关神经干细胞命运决定的研究中，宋艳团队发现超级转录延伸复合体（SEC）作为「信号放大器」驱动神经干细胞细胞命运及时、精准的锁定（Liu et al, Dev Cell）[8]，但关于 SEC 调控关键靶基因转录的分子调控机制还尚不明晰。通过遗传和生化筛选，研究人员发现 SEC 可以磷酸化转录因子 TBP。更出乎意料的是，TBP 蛋白可以保留在果蝇神经干细胞高度凝聚的有丝分裂期染色体上（图 1）。为什么 TBP 能够保留在高度致密的分裂期染色体上？TBP 有丝分裂保留的生物学意义又是什么？
图 1. 书签蛋白 TBP 保留在果蝇神经干细胞分裂期染色体上
通过精细的果蝇分子遗传学、细胞生物学、生物化学和多组学实验，研究人员发现 SEC 通过磷酸化修饰调控 TBP 有丝分裂保留能力，进而促进神经干细胞的自我复制和增殖。由于被 SEC 磷酸化的 TBP 能够更有效地招募染色质重塑子 EP400，并在其染色质结合位点附近置换入组蛋白变体 H2A.Z，进而增加局部染色质开放性，TBP 得以在致密的分裂期染色体上保留下来，作为有丝分裂书签维持神经干细胞自我复制的命运记忆。
图 2. 从发育脑中分离处于不同细胞周期的神经干细胞
并进行低细胞投入量多组学分析的实验流程
那么，TBP 在神经干细胞分裂期染色体上特异标记了哪些关键靶基因，进而确保细胞命运记忆的精确储存和跨代传递呢？先前广泛使用的鉴定蛋白在有丝分裂染色体上保留位点的方法是利用药物处理将体外培养细胞的细胞周期同步化并对有丝分裂期细胞加以富集，然后进行多组学分析。然而，这一方法不适用于体内实验。这项研究建立了一个不依赖药物处理的全新实验方案，实现了从发育脑中分离高纯度有丝分裂期神经干细胞，并进行低细胞投入量的多组学分析（图 2）。基于该新技术，研究人员细致精准地鉴定了生理条件下 TBP 在果蝇有丝分裂期神经干细胞中的染色体结合位点，并绘制了神经干细胞有丝分裂期染色质可及性图谱。
图 3. 有丝分裂书签 TBP 通过调控局部染色质结构
维持神经干细胞命运记忆
综上所述，这项研究发现书签蛋白的有丝分裂保留促进神经干细胞自我复制和增殖，首次揭示了有丝分裂书签对神经发育的重要生理学意义，并阐明了书签蛋白通过调控局部染色质可及性实现染色体保留的新机制（图 3）。值得一提的是，该研究建立了一个全新的技术方案，实现对发育脑中书签蛋白在染色体上的保留位点的精确鉴定。这一新方法将助力有丝分裂书签在其它物种和其它组织器官中的发现及其生理学功能和机制研究的开展。
北京大学生命科学学院博士研究生申钰荧（2020 级）为该论文的第一作者。北京大学生命科学学院宋艳研究员为该论文的通讯作者。课题组博士后刘琨（已出站）、博士研究生刘婕（2022 级）、叶桐桐（2024 级）、赵闰祥（2024 级）和已毕业的申静雯博士和张如兰博士为本文做出了重要贡献。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北大-清华生命科学联合中心和细胞增殖与分化教育部重点实验室的大力支持。
参考文献：
[1] Cusanovich, D.A., Reddington, J.P., Garfield, D.A., Daza, R.M., Aghamirzaie, D., Marco-Ferreres, R., Pliner, H.A., Christiansen, L., Qiu, X., Steemers, F.J., et al. (2018). The cis-regulatory dynamics of embryonic development at single-cell resolution. Nature 555, 538-542.
[2] Martinez-Balbas, M.A., Dey, A., Rabindran, S.K., Ozato, K., and Wu, C. (1995). Displacement of sequence-specific transcription factors from mitotic chromatin. Cell 83, 29-38.
[3] Palozola, K.C., Lerner, J., and Zaret, K.S. (2019). A changing paradigm of transcriptional memory propagation through mitosis. Nat Rev Mol Cell Biol 20, 55-64.
[4] Gonzalez, I., Molliex, A., and Navarro, P. (2021). Mitotic memories of gene activity. Curr Opin Cell Biol 69, 41-47.
[5] Festuccia, N., Gonzalez, I., Owens, N., and Navarro, P. (2017). Mitotic bookmarking in development and stem cells. Development 144, 3633-3645.
[6] Kadauke, S., Udugama, M.I., Pawlicki, J.M., Achtman, J.C., Jain, D.P., Cheng, Y., Hardison, R.C., and Blobel, G.A. (2012). Tissue-specific mitotic bookmarking by hematopoietic transcription factor GATA1. Cell 150, 725-737.
[7] Teves, S.S., An, L., Hansen, A.S., Xie, L., Darzacq, X., and Tjian, R. (2016). A dynamic mode of mitotic bookmarking by transcription factors. Elife 5. 10.7554/eLife.22280.
[8] Liu, K., Shen, D., Shen, J., Gao, S.M., Li, B., Wong, C., Feng, W., and Song, Y. (2017). The Super Elongation Complex Drives Neural Stem Cell Fate Commitment. Dev Cell 40, 537-551.
研究组介绍
宋艳：北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心，研究员、博士生导师。
实验室研究领域：大脑是我们人体内最为复杂的器官。作为我们神经系统的高级中枢，人类大脑由上千亿个神经元、大致相同数量的非神经元细胞和数万亿个神经连接组成，从组装到运行都异常复杂和精妙。这些神经细胞不但数量庞大、种类繁多，还需在合适的时间和地点产生，才可能建立正确的神经连接，进而支持我们诸如思维、认知、学习、语言等高级神经活动。大脑发育异常可能导致儿童脑瘤、小脑症、自闭症等诸多神经发育疾病。深入解析神经发育的分子调控机理是防治相关神经发育疾病的基础和关键。
课题组通过将全脑亚细胞结构长时程活体动态成像技术与果蝇遗传学、小鼠遗传学、液-液相分离、细胞生物学、生物化学及多组学等手段相结合，现阶段特别感兴趣的科学问题包括：
1. 细胞命运记忆传承：脑发育过程中细胞如何在有丝分裂后及时「记住」或「遗忘」其细胞命运或身份？
2. 神经发育时程解码：神经发育的时程信号如何被及时、精确读取并转换成细胞命运决策事件，确保神经元多样性的产生和维持？
3. 专属基因表达程序：大脑作为人体最复杂的器官，其发育过程是否有其独特的基因表达程序？这个专属程序如何运行，其运行错误如何导致相关神经发育疾病的发生？
北京大学生命科学学院宋艳课题组综合运用多种研究手段从独特的视角研究脑发育中细胞命运决定及命运记忆维持或遗忘的分子调控机理，欢迎有志于探究细胞命运记忆传承机理的博士后或博士研究生加入。关于团队的更多介绍详见实验室网站 http://yansonglab.org/。
本文及图片来源于北大生科，作者转载