Pioneer factors governsuper-enhancer dynamics in stem cell plasticity and lineage choice
Adult stem cells occur in niches thatbalance self-renewal with lineage selection and progression during tissuehomeostasis. Following injury, culture or transplantation, stem cells outsidetheir niche often display fate flexibility1, 2, 3, 4. Here we show thatsuper-enhancers5 underlie the identity, lineage commitment and plasticity ofadult stem cells in vivo. Using hair follicle as a model, we map the globalchromatin domains of hair follicle stem cells and their committed progenitorsin their native microenvironments. We show that super-enhancers and their denseclusters (‘epicentres’) of transcription factor binding sites undergo remodelling uponlineage progression. New fate is acquired by decommissioning old andestablishing new super-enhancers and/or epicentres, an auto-regulatory processthat abates one master regulator subset while enhancing another. We furthershow that when outside their niche, either in vitro or in wound-repair, hairfollicle stem cells dynamically remodel super-enhancers in response to changesin their microenvironment. Intriguingly, some key super-enhancers shiftepicentres, enabling their genes to remain active and maintain a transitionalstate in an ever-changing transcriptional landscape. Finally, we identify SOX9as a crucial chromatin rheostat of hair follicle stem cell super-enhancers, andprovide functional evidence that super-enhancers are dynamic, dense transcription-factor-bindingplatforms which are acutely sensitive to pioneer master regulators whose levelsdefine not only spatial and temporal features of lineage-status but alsostemness, plasticity in transitional states and differentiation.
Nature：干细胞如何记住自己的身份？
发布时间：2015-03-26 00:00 文章来源： 作者：
关键词：干细胞 Sox9
干细胞具有强烈的身份认同感。例如，从毛囊住所处取出干细胞，将它们置于培养基中培养，这些细胞仍然会保持真实的自我。在过渡状态下等待一段时间后，一旦将它们移植回皮肤，这些培养细胞能够再生出毛囊以及其他的皮肤结构。然而人们并不清楚这些干细胞（以及身体其他部位的干细胞）是如何在特殊的环境中保持生成新组织及愈合伤口的能力的。
来自洛克菲勒大学的一项新研究发现一个蛋白Sox9主导控制了细胞的可塑性。在发表于3月10日《自然》(Nature)杂志上的一篇研究论文中，该研究小组将Sox9描述为是一个“先锋因子”，它为激活毛囊中与干细胞身份相关的基因奠定了基础。
研究作者、RobinChemers Neustein哺乳动物细胞生物学和发育实验室Elaine Fuchs教授说：“我们发现在毛囊中，Sox9为干细胞可塑性奠定了基础。首先，Sox9使得干细胞需要的一些基因容易被接近，因此它们能够活化。随后，Sox9招募其他蛋白协同作用推动这些‘干性’基因，放大了它们的表达。没有Sox9，这一过程不会发生，毛囊干细胞无法存活。”
Sox9是一种转录因子。转录因子的作用就像基因的一个音量调节控制器。当转录因子与称作为增强子的DNA片段结合时，它会上调相关基因的活性。近期，科学家们鉴别出了一种不太常见、但更强大的增强子版本：超级增强子。超级增强子是一些较长的DNA片段，聚集着大量的协同结合的细胞类型特异性转录因子。此外，超级增强子还容纳了一些具有特异表观遗传标记的组蛋白，这些组蛋白使得与它们相关的一些基因易被接近因此得以表达。
利用与增强子的组蛋白特异性相关的一种表观遗传标记，论文的第一作者Rene Adam和同事们鉴别出了毛囊干细胞中377个这样的高能基因放大区域。大多数这样的超级增强子都被至少5个转录因子结合，通常都包括Sox9。随后，他们将这些干细胞超级增强子与短寿命的干细胞后代（这些细胞已开始选择细胞命运，因此丧失了干细胞的可塑性）的超级增强子进行了比较。发现这两种细胞只共享了32%的超级增强子，表明这些区域对皮肤细胞身份起重要作用。关闭与一些干细胞基因相关的超级增强子，研究人员发现在这些基因沉默的同时一些新的超级增强子则被激活开启一些毛发基因。
为了更好的了解这些动态，研究人员取得了叫做epicenter的超级增强子，所有的干细胞转录因子均与之结合。他们将这一超级增强子与一个基因连接到一起，当存在转录因子时这一基因就会发出绿光。在活体小鼠中，所有的毛囊干细胞都发绿光，而令人惊讶地是，当从毛囊处取得干细胞将它们置于培养基中时所有的绿色基因都关闭。当他们将细胞再度置于活体皮肤中，绿光又回来了。
实验室的另一名学生Hanseul Yang完成的一些实验提供了另一个线索。通过检测干细胞培养时获得的新超级增强子，他们发现新的超级增强子结合了已知在损伤修复过程中激活的一些转录因子。当他们利用其中一个epicenter驱动绿色基因时，培养物中出现了绿光，但在皮肤细胞中则没有出现绿光。当他们损伤皮肤时则绿光开启。
Adam 说：“我们了解到一些超级增强子特异性地在处于天然微环境的干细胞中激活，而另一些超级增强子在损伤过程中特异性地开启。通过转换epicenter，你可以从一群转录因子转换至另一群转录因子适应不同的环境。但我们仍然需要确定是什么控制了这些转换。”
罪魁祸首就是Sox9，这一唯一在活体组织和培养物中表达的转录因子。进一步的实验发现，除去它会敲响干细胞的丧钟，在表皮中表达它则可赋予皮肤细胞一些毛囊干细胞的特征，证实了Sox9的重要性。这种能力似乎为Sox9所独有，因此将它放置在了干细胞转录因子等级的顶层。Sox9是已知在生物学中能够启动这样的基因表达动态改变的先锋因子之一。
Fuchs 说：“重要的是，我们将这一先锋因子与超级增强子动态联系起来，它给予了这些区域一套‘组合拳’来控制细胞的身份。就干细胞可塑性来说，Sox9似乎是主导因子，其激活超级增强子放大了与干性相关的基因。这一研究发现使我们重新认识了干细胞在处于过渡状态，例如在培养基中或修复损伤时选择命运和维持多能性的方式。”（阅读论文原文，请点击最下方“阅读原文”）
原文摘要：
Pioneer factors governsuper-enhancer dynamics in stem cell plasticity and lineage choice
Adult stem cells occur in niches thatbalance self-renewal with lineage selection and progression during tissuehomeostasis. Following injury, culture or transplantation, stem cells outsidetheir niche often display fate flexibility1, 2, 3, 4. Here we show thatsuper-enhancers5 underlie the identity, lineage commitment and plasticity ofadult stem cells in vivo. Using hair follicle as a model, we map the globalchromatin domains of hair follicle stem cells and their committed progenitorsin their native microenvironments. We show that super-enhancers and their denseclusters (‘epicentres’) of transcription factor binding sites undergo remodelling uponlineage progression. New fate is acquired by decommissioning old andestablishing new super-enhancers and/or epicentres, an auto-regulatory processthat abates one master regulator subset while enhancing another. We furthershow that when outside their niche, either in vitro or in wound-repair, hairfollicle stem cells dynamically remodel super-enhancers in response to changesin their microenvironment. Intriguingly, some key super-enhancers shiftepicentres, enabling their genes to remain active and maintain a transitionalstate in an ever-changing transcriptional landscape. Finally, we identify SOX9as a crucial chromatin rheostat of hair follicle stem cell super-enhancers, andprovide functional evidence that super-enhancers are dynamic, dense transcription-factor-bindingplatforms which are acutely sensitive to pioneer master regulators whose levelsdefine not only spatial and temporal features of lineage-status but alsostemness, plasticity in transitional states and differentiation.
（来源：Medical Research）
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