摘要：在皮膚中，一些異常的成人表皮干細(xì)胞開啟SOX9，啟動(dòng)一個(gè)最終激活癌癥基因的過程。
在早期，每個(gè)干細(xì)胞都面臨著一個(gè)決定命運(yùn)的選擇。例如，在皮膚發(fā)育過程中，胚胎表皮開始為單層表皮祖細(xì)胞。它們的選擇是變成成熟的表皮細(xì)胞，還是變成毛囊細(xì)胞。這種所謂的命運(yùn)開關(guān)是由轉(zhuǎn)錄因子SOX9控制的。如果祖細(xì)胞表達(dá)SOX9，毛囊細(xì)胞發(fā)育。如果沒有，表皮細(xì)胞有。
但SOX9也有陰暗的一面，因?yàn)樗c世界上許多最致命的癌癥有關(guān)，包括肺癌、皮膚癌、頭頸癌和骨癌。在皮膚中，一些異常的成年表皮干細(xì)胞后來會(huì)開啟SOX9，盡管它們選擇了一條通路——而且永遠(yuǎn)不會(huì)關(guān)閉它，從而啟動(dòng)一個(gè)最終激活癌癥基因的過程。
科學(xué)家們從來沒有完全理解這種注定的結(jié)果是如何在分子水平上發(fā)生的。但現(xiàn)在洛克菲勒的研究人員已經(jīng)揭示了這一惡性轉(zhuǎn)變背后的機(jī)制。事實(shí)證明，SOX9屬于一類特殊的蛋白質(zhì)，它控制著遺傳信息從DNA到mRNA的傳遞。這意味著它有能力撬開密封的遺傳物質(zhì)口袋，與之前沉默的基因結(jié)合，并激活它們。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然細(xì)胞生物學(xué)》雜志上。
圖1 研究發(fā)現(xiàn)SOX9控制著遺傳信息從DNA到mRNA的傳遞
Robin Chemers Neustein哺乳動(dòng)物細(xì)胞生物學(xué)和發(fā)育實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Elaine Fuchs說:“我們的發(fā)現(xiàn)為癌癥如何破壞干細(xì)胞精心調(diào)整的決策過程提供了新的見解，此后使其不可能形成正常組織?！薄八€闡明了新的sox9激活基因是潛在的治療靶點(diǎn)。”
基因表達(dá)的罕見鑰匙
我們的基因組不是一本公開的書。事實(shí)上，它更像是一個(gè)圖書館，里面有幾十億本書，大部分都被鎖上了鑰匙——大多數(shù)遺傳物質(zhì)實(shí)際上都隱藏在非編碼和緊密結(jié)合的DNA包里，這些DNA包被組蛋白以封閉狀態(tài)封鎖起來。DNA和組蛋白一起形成了所謂的封閉染色質(zhì)。被包裹在這種封閉物質(zhì)中的基因無法被轉(zhuǎn)錄蛋白或因子所接觸，而轉(zhuǎn)錄蛋白或因子則有助于表達(dá)其中的基因。
但也有一些罕見的鍵不是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)錄因子。這些“先鋒因素”可以解開這些基因包。它們具有窺探封閉染色質(zhì)內(nèi)部并識(shí)別其結(jié)合位點(diǎn)的超能力。然后，它們招募其他轉(zhuǎn)錄因子來幫助它們撬開封閉的染色質(zhì)，并與核小體上的受體位點(diǎn)結(jié)合，從而重新編程染色質(zhì)并激活新的基因。
這通常發(fā)生在發(fā)育的早期階段，當(dāng)時(shí)干細(xì)胞的命運(yùn)尚未確定。在成人皮膚中，SOX9通常與維持成人毛囊干細(xì)胞的身份有關(guān)。它通常在成人表皮干細(xì)胞中被抑制。但對(duì)于基底細(xì)胞癌和鱗狀細(xì)胞癌，情況并非如此。
“在疾病背景下，SOX9在成人表皮干細(xì)胞中被重新激活，”該研究的第一作者Yihao Yang說。
他說，這個(gè)過程是如何一步步展開的還不得而知。“體外重編程發(fā)生得非?？臁?8小時(shí)內(nèi)。在如此短的時(shí)間窗口內(nèi)，很難對(duì)事件的順序進(jìn)行很好的解決。
圖2 持續(xù)的SOX9再激活使表皮沉默，同時(shí)激活毛囊，隨后導(dǎo)致BCC死亡
SOX9交換
為了找到答案，研究人員設(shè)計(jì)了含有SOX9拷貝的小鼠，當(dāng)小鼠被喂食強(qiáng)力霉素(一種誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因SOX9的藥物)時(shí)，SOX9拷貝可以在它們的成年表皮干細(xì)胞中被激活。
“在成體組織中，在胚胎發(fā)生時(shí)容易做出的選擇被嚴(yán)格抑制，這樣成體干細(xì)胞就能堅(jiān)持自己的任務(wù)，”Fuchs解釋說。
然而，釋放SOX9被證明是一個(gè)強(qiáng)有力的影響因素，逐漸將表皮干細(xì)胞重新編程到新的命運(yùn)。Yang說:“僅通過表達(dá)這種單一的SOX9轉(zhuǎn)錄因子，我們就能夠在第6周誘導(dǎo)基底細(xì)胞癌樣結(jié)構(gòu)。到第12周，我們開始看到類似人類基底細(xì)胞癌的病變。”
同時(shí)，他們追蹤了在幕后發(fā)生的表觀遺傳過程。在頭兩周，SOX9關(guān)閉了表皮干細(xì)胞基因。它們開始逆轉(zhuǎn)正常狀態(tài)，開啟毛囊干細(xì)胞基因。
在尋找機(jī)制的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)這種命運(yùn)的轉(zhuǎn)換，SOX9從活躍的表皮基因中劫持了核機(jī)器，并將這種竊取的設(shè)備帶到沉默的毛囊基因中。然后，它利用其他轉(zhuǎn)錄因子撬開與內(nèi)部沉默基因結(jié)合的封閉染色質(zhì)，使它們啟動(dòng)。
Fuchs說:“當(dāng)SOX9不能被調(diào)節(jié)時(shí)，干細(xì)胞不能長(zhǎng)出毛發(fā)，而是繼續(xù)增殖并激活幾種新的轉(zhuǎn)錄因子，最終導(dǎo)致基底細(xì)胞癌狀態(tài)?！?/div>
圖1 研究發(fā)現(xiàn)SOX9控制著遺傳信息從DNA到mRNA的傳遞
這種復(fù)雜的、身份轉(zhuǎn)換的來回轉(zhuǎn)換之所以成為可能，是因?yàn)镾OX9是一個(gè)先鋒因素。“只有先驅(qū)者因子才有能力接近封閉的染色質(zhì)，”他指出。
由于SOX9在世界上許多最致命的癌癥中過度活躍，研究人員的目標(biāo)是尋找干預(yù)其在這些細(xì)胞增殖中的作用的方法。“通過確定SOX9的相互作用蛋白及其靶基因在惡性腫瘤期間是如何變化的，我們希望在發(fā)現(xiàn)這些癌癥的新藥物靶點(diǎn)方面取得進(jìn)展?！?/div>
參考資料：
[1] Yihao Yang, Nicholas Gomez, Nicole Infarinato, Rene C. Adam, Megan Sribour, Inwha Baek, Mélanie Laurin, Elaine Fuchs. The pioneer factor SOX9 competes for epigenetic factors to switch stem cell fates. Nature Cell Biology, 2023; DOI: 10.1038/s41556-023-01184-y
摘要：在皮膚中，一些異常的成人表皮干細(xì)胞開啟SOX9，啟動(dòng)一個(gè)最終激活癌癥基因的過程。
在早期，每個(gè)干細(xì)胞都面臨著一個(gè)決定命運(yùn)的選擇。例如，在皮膚發(fā)育過程中，胚胎表皮開始為單層表皮祖細(xì)胞。它們的選擇是變成成熟的表皮細(xì)胞，還是變成毛囊細(xì)胞。這種所謂的命運(yùn)開關(guān)是由轉(zhuǎn)錄因子SOX9控制的。如果祖細(xì)胞表達(dá)SOX9，毛囊細(xì)胞發(fā)育。如果沒有，表皮細(xì)胞有。
但SOX9也有陰暗的一面，因?yàn)樗c世界上許多最致命的癌癥有關(guān)，包括肺癌、皮膚癌、頭頸癌和骨癌。在皮膚中，一些異常的成年表皮干細(xì)胞后來會(huì)開啟SOX9，盡管它們選擇了一條通路——而且永遠(yuǎn)不會(huì)關(guān)閉它，從而啟動(dòng)一個(gè)最終激活癌癥基因的過程。
科學(xué)家們從來沒有完全理解這種注定的結(jié)果是如何在分子水平上發(fā)生的。但現(xiàn)在洛克菲勒的研究人員已經(jīng)揭示了這一惡性轉(zhuǎn)變背后的機(jī)制。事實(shí)證明，SOX9屬于一類特殊的蛋白質(zhì)，它控制著遺傳信息從DNA到mRNA的傳遞。這意味著它有能力撬開密封的遺傳物質(zhì)口袋，與之前沉默的基因結(jié)合，并激活它們。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然細(xì)胞生物學(xué)》雜志上。
圖1 研究發(fā)現(xiàn)SOX9控制著遺傳信息從DNA到mRNA的傳遞
Robin Chemers Neustein哺乳動(dòng)物細(xì)胞生物學(xué)和發(fā)育實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Elaine Fuchs說:“我們的發(fā)現(xiàn)為癌癥如何破壞干細(xì)胞精心調(diào)整的決策過程提供了新的見解，此后使其不可能形成正常組織?！薄八€闡明了新的sox9激活基因是潛在的治療靶點(diǎn)?！?/div>
圖2 持續(xù)的SOX9再激活使表皮沉默，同時(shí)激活毛囊，隨后導(dǎo)致BCC死亡
基因表達(dá)的罕見鑰匙
我們的基因組不是一本公開的書。事實(shí)上，它更像是一個(gè)圖書館，里面有幾十億本書，大部分都被鎖上了鑰匙——大多數(shù)遺傳物質(zhì)實(shí)際上都隱藏在非編碼和緊密結(jié)合的DNA包里，這些DNA包被組蛋白以封閉狀態(tài)封鎖起來。DNA和組蛋白一起形成了所謂的封閉染色質(zhì)。被包裹在這種封閉物質(zhì)中的基因無法被轉(zhuǎn)錄蛋白或因子所接觸，而轉(zhuǎn)錄蛋白或因子則有助于表達(dá)其中的基因。
但也有一些罕見的鍵不是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)錄因子。這些“先鋒因素”可以解開這些基因包。它們具有窺探封閉染色質(zhì)內(nèi)部并識(shí)別其結(jié)合位點(diǎn)的超能力。然后，它們招募其他轉(zhuǎn)錄因子來幫助它們撬開封閉的染色質(zhì)，并與核小體上的受體位點(diǎn)結(jié)合，從而重新編程染色質(zhì)并激活新的基因。
這通常發(fā)生在發(fā)育的早期階段，當(dāng)時(shí)干細(xì)胞的命運(yùn)尚未確定。在成人皮膚中，SOX9通常與維持成人毛囊干細(xì)胞的身份有關(guān)。它通常在成人表皮干細(xì)胞中被抑制。但對(duì)于基底細(xì)胞癌和鱗狀細(xì)胞癌，情況并非如此。
“在疾病背景下，SOX9在成人表皮干細(xì)胞中被重新激活，”該研究的第一作者Yihao Yang說。
他說，這個(gè)過程是如何一步步展開的還不得而知?！绑w外重編程發(fā)生得非?？臁?8小時(shí)內(nèi)。在如此短的時(shí)間窗口內(nèi)，很難對(duì)事件的順序進(jìn)行很好的解決。
圖2 持續(xù)的SOX9再激活使表皮沉默，同時(shí)激活毛囊，隨后導(dǎo)致BCC死亡
SOX9交換
為了找到答案，研究人員設(shè)計(jì)了含有SOX9拷貝的小鼠，當(dāng)小鼠被喂食強(qiáng)力霉素(一種誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因SOX9的藥物)時(shí)，SOX9拷貝可以在它們的成年表皮干細(xì)胞中被激活。
“在成體組織中，在胚胎發(fā)生時(shí)容易做出的選擇被嚴(yán)格抑制，這樣成體干細(xì)胞就能堅(jiān)持自己的任務(wù)，”Fuchs解釋說。
然而，釋放SOX9被證明是一個(gè)強(qiáng)有力的影響因素，逐漸將表皮干細(xì)胞重新編程到新的命運(yùn)。Yang說:“僅通過表達(dá)這種單一的SOX9轉(zhuǎn)錄因子，我們就能夠在第6周誘導(dǎo)基底細(xì)胞癌樣結(jié)構(gòu)。到第12周，我們開始看到類似人類基底細(xì)胞癌的病變?！?/div>
同時(shí)，他們追蹤了在幕后發(fā)生的表觀遺傳過程。在頭兩周，SOX9關(guān)閉了表皮干細(xì)胞基因。它們開始逆轉(zhuǎn)正常狀態(tài)，開啟毛囊干細(xì)胞基因。
在尋找機(jī)制的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)這種命運(yùn)的轉(zhuǎn)換，SOX9從活躍的表皮基因中劫持了核機(jī)器，并將這種竊取的設(shè)備帶到沉默的毛囊基因中。然后，它利用其他轉(zhuǎn)錄因子撬開與內(nèi)部沉默基因結(jié)合的封閉染色質(zhì)，使它們啟動(dòng)。
Fuchs說:“當(dāng)SOX9不能被調(diào)節(jié)時(shí)，干細(xì)胞不能長(zhǎng)出毛發(fā)，而是繼續(xù)增殖并激活幾種新的轉(zhuǎn)錄因子，最終導(dǎo)致基底細(xì)胞癌狀態(tài)?！?/div>
這種復(fù)雜的、身份轉(zhuǎn)換的來回轉(zhuǎn)換之所以成為可能，是因?yàn)镾OX9是一個(gè)先鋒因素。“只有先驅(qū)者因子才有能力接近封閉的染色質(zhì)，”他指出。
由于SOX9在世界上許多最致命的癌癥中過度活躍，研究人員的目標(biāo)是尋找干預(yù)其在這些細(xì)胞增殖中的作用的方法?！巴ㄟ^確定SOX9的相互作用蛋白及其靶基因在惡性腫瘤期間是如何變化的，我們希望在發(fā)現(xiàn)這些癌癥的新藥物靶點(diǎn)方面取得進(jìn)展?！?/div>
參考資料：
[1] Yihao Yang, Nicholas Gomez, Nicole Infarinato, Rene C. Adam, Megan Sribour, Inwha Baek, Mélanie Laurin, Elaine Fuchs. The pioneer factor SOX9 competes for epigenetic factors to switch stem cell fates. Nature Cell Biology, 2023; DOI: 10.1038/s41556-023-01184-y
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