新的研究发现，若胚胎干细胞中的DNA不能完全压缩，这种干细胞则无法完成其基本的工作：分化为为特定细胞，在身体中发育成为各种组织和结构。
胚胎干细胞成功分化需要染色质进行正确压缩（图：systembio.com）
美国艾莫利大学和佐治亚理工学院的研究人员发现，染色质的压缩对于胚胎干细胞发生正确分化来说是必须的。染色质是由组蛋白和DNA组成，能够将DNA封装为小体积从而使DNA能恰当地装载于细胞中。
这项发表在5月10号PLoS Genetics上的研究发现，缺少少数几个组蛋白H1亚型以及染色质压缩有限的胚胎干细胞在多中情况下会表现出不完整分化，该研究还论证了在分化过程中某些基因必须被沉默。
“研究人员观察到胚胎干细胞呈现出松散、开放的染色质结构，而分化细胞呈现出压缩的染色质结构。我们的研究首次证实这种压缩并不仅仅是分化过程的一个结果，而是分化过程正常发生的一个必要条件。”佐治亚理工学院生物学研的副教授Yuhong Fan表示。
为了研究连接组蛋白和染色质折叠对干细胞分化的影响，研究人员对缺少三种连接组蛋白H1亚型—H1c、H1d与H1e—的胚胎干细胞进行了研究。连接组蛋白是促进染色质折叠成为高级结构的结构蛋白。研究人员发现，在胚胎干细胞分化期间这些H1亚型的表达水平增加，缺少这些H1亚型蛋白的胚胎干细胞的自然分化过程时间延长。研究证实了胚状体分化过程中的损伤并导致形成高质量神经细胞网络过程的失败。
相关专家表示：“组蛋白H1因其染色体结构组分的角色而广为人知，该研究揭开了它的一种新的调节功能。通过证实H1参与了对引导胚胎干细胞分化基因的控制，该研究加深了我们对H1功能的了解，提供了有关干细胞转变为特定细胞类型的细胞进程的新的珍贵认知。”
在自发分化过程中，大部分剔除了H1三种亚型蛋白的胚胎干细胞保持着典型的未分化干细胞的高度封装结构，并长时间、高水平表达Oct4。Oct4是一种多能基因，使胚胎干细胞保持自我更新能力，在诱导分化中并须被抑制。
“H1的剔除损伤了对Oct4及其同源多能基因的抑制，这表明存在一种新的机械连接，通过这种连接H1及染色质压缩可通过对多能基因的沉默作用而调节多能干细胞的分化，” Fan教授解释道，“当由于H1水平的显著降低而无法干涉到胚胎干细胞的自我更新时，则会发生受损的分化。”
研究人员还培养出被称为胚状体的胚胎干细胞高效同源3D簇进行研究。胚状体通常包含来自三种胚层细胞（外胚层、中胚层及内胚层）的细胞类型，可在机体中产生各种类型的组织及结构。不过，大部分剔除了三种H1亚型蛋白的胚状体缺乏分化的结构，并表现出为分化干细胞的基因表达特征。
“剔除了三种H1亚型蛋白的胚状体表现出多种发育基因的低水平激活，表明三种胚层得分化受到了影响。”相关专家解释说。
据Fan教授解释，胚状体还缺乏分化所必须的多能基因的表观遗传改变。“当我们加入一种H1亚型时，Oct4则正常地受到抑制，胚状体分化开始继续进行。在小鼠胚胎中，H1对Oct4表达的表观遗传调控也很明显。”
在另外一个实验中，研究人员设置了一个可促进胚胎干细胞分化为神经细胞的环境。尽管如此，剔除了三种H1亚型蛋白的细胞在形成神经系统法乐必不可少的神经元及胶质细胞、神经网络方面仍具缺陷。仅10%的剔除胚状体可产生神经突，平均每个可形成8个神经突。相反，50%的正常胚状体可平均产生8个神经突。
在未来的研究中，研究人员计划研究控制H1组蛋白水平是否可用于影响成体细胞的重编程，从而获得诱导多能干细胞。
Histone H1 Depletion Impairs Embryonic Stem Cell Differentiation
Yunzhe Zhang, Marissa Cooke, Shiraj Panjwani, Kaixiang Cao, Beth Krauth, Po-Yi Ho, Magdalena Medrzycki, Dawit T. Berhe, Chenyi Pan, Todd C. McDevitt, Yuhong Fan
Pluripotent embryonic stem cells (ESCs) are known to possess a relatively open chromatin structure; yet, despite efforts to characterize the chromatin signatures of ESCs, the role of chromatin compaction in stem cell fate and function remains elusive. Linker histone H1 is important for higher-order chromatin folding and is essential for mammalian embryogenesis. To investigate the role of H1 and chromatin compaction in stem cell pluripotency and differentiation, we examine the differentiation of embryonic stem cells that are depleted of multiple H1 subtypes. H1c/H1d/H1e triple null ESCs are more resistant to spontaneous differentiation in adherent monolayer culture upon removal of leukemia inhibitory factor. Similarly, the majority of the triple-H1 null embryoid bodies (EBs) lack morphological structures representing the three germ layers and retain gene expression signatures characteristic of undifferentiated ESCs. Furthermore, upon neural differentiation of EBs, triple-H1 null cell cultures are deficient in neurite outgrowth and lack efficient activation of neural markers. Finally, we discover that triple-H1 null embryos and EBs fail to fully repress the expression of the pluripotency genes in comparison with wild-type controls and that H1 depletion impairs DNA methylation and changes of histone marks at promoter regions necessary for efficiently silencing pluripotency gene Oct4 during stem cell differentiation and embryogenesis. In summary, we demonstrate that H1 plays a critical role in pluripotent stem cell differentiation, and our results suggest that H1 and chromatin compaction may mediate pluripotent stem cell differentiation through epigenetic repression of the pluripotency genes.
文献链接：https://www.plosgenetics.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pgen.1002691
