2012年，日本科学家山中伸弥凭借其所发明的诱导多能干细胞技术(induced pluripotent stem cell，iPS)荣膺当年诺贝尔生理及医学奖。该技术通过诱导成熟体细胞某些特殊基因表达，将其逆转为具有各种发育潜能的干细胞，这个过程也被称作细胞重编程。iPS克服了胚胎干细胞带来的伦理问题，在细胞治疗和器官移植方面具有巨大的应用潜能，受到了人们的广泛关注。 在后生动物基因转录调控网络中，RNA Pol II是转录起始的一个关键步骤。本项研究中，研究者选择鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblasts, MEFs)这种分化程度较高的细胞作为研究对象，试图通过比较体细胞、重编程过程中的细胞、胚胎干细胞(embryonic stem cells，ESCs)三类细胞中RNA Pol II在基因上的分布情况，了解细胞重编程过程中多能基因网络调控机制。通过分析已有的GRO-Seq(Global Run-On Sequencing)数据，研究者发现，在ESCs中，Pol II在近启动子区域“暂停”状态比MEFs要多，并认为在ESCs中，多能性基因的转录调控与MEFs有所不同。通过对OSKM(OCT4、SOX2、KLF4、和c-MYC)重编程处理后的MEFs进行ChIP-Seq检测，研究者发现，随着重编程时间延长，RNA Pol II会越来越多地暂停在近启动子区域，阻止一些关键多能性基因的表达，进一步阻碍重编程过程。
MEFs重编程过程中Oct4基因RNA Pol II结合情况
突变CDK9后对重编程MEFs进行RNA-Seq结果
BRD-CTD处理后四个基因上PolII及Pol II Ser2P的ChIP-qPCR结果，结果显示，BRD-CTD增强了PolII在基因主体上的结合。
Nanog基因上CDK9/KLF4的ChIP-Seq结果
之前已有研究表明，P-TEFb复合体会通过其催化亚基CDK9，磷酸化RNA Pol II，比较ESCs和MEFs，研究发现ESCs中CDK9表达量更高，RNA-Seq数据表明，如果在MEFs中沉默CDK9，会明显下调多能性基因表 达，包括其著名靶基因Hexim1。在很多细胞中，CDK9都会与HEXIM1组成复合物，保持失活状态，由于另一个蛋白BRD4会通过去除HEXIM1 激活CDK9，研究者进一步探索了MEFs重编程过程中BRD4和HEXIM1的角色，通过构建靶向BRD4的shRNA、过表达载体及不同的BRD4及 CDK9突变体，利用ChIP-Seq实验，研究者发现，BRD4会增强RNA Pol II的Ser2P修饰水平，强烈结合于多能性基因启动子区域，诱导多能性基因表达。这些结果证实，BRD4的确可以代替HEXIM1与CDK9互作，激活 CDK9，促进多能性基因的表达，是重编程的一个正向调节因子，而HEXIM1则会发挥与BRD4相反的作用，它会阻止多能性基因表达，是重编程过程的一 个障碍。
由于CDK9需要转录因子帮助才能在特定位置结合，修饰RNA Pol II，为了鉴定MEFs中介导CDK9富集的转录因子，研究者将OSKM四个重编程因子转入HEK293T细胞内，通过免疫共沉淀及ChIP-Seq数据分析，证实KLF4会与CDK9共同结合于多能性基因启动子区，对RNA Pol II进行修饰，改变其暂停状态，诱导多能性基因开始转录。
调控通路示意图
至此，研究者确认了细胞重编程过程中一条完整的调控通路，在该通路中，不同调控因子相互作用，通过RNA Pol II的磷酸化水平，促使其在多能性基因启动子区域由“暂停”状态进入“延伸”状态，诱导这些基因转录。对此通路的研究，有助于人们更好地理解细胞命运如何 发生变化，显著提高体细胞重编程的效率，同时也对诱导多能干细胞在治疗重大疾病如帕金森、心血管疾病等方面的应用研究具有重要意义。
相关文献：Liu L, Xu Y, He M, et al. Transcriptional Pause Release Is a Rate-Limiting Step for Somatic Cell Reprogramming[J]. Cell Stem Cell, 2014.
