表观遗传学

来自埃默里大学的研究人员在新研究中绘制出了体细胞重编程过程中，5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5-hmC）在细胞中的动态变化，揭示出在iPS细胞的亚端粒区域存在大量5-hmC介导的异常表观遗传修饰热点。这一研究成果发表在5月19日的《自然细胞生物学》（Nature Cell Biology）杂志上。

文章的通讯作者是埃默里大学医学院人类遗传学系教授金鹏（Peng Jin）和Stephen T. Warren博士。金鹏教授曾获Beckman 青年研究奖、Basil O'Connor奖、斯隆奖（Alfred P. Sloan Research Fellow in Neuroscience）等多项荣誉。在Cell，Nature Neuroscience和Neuron 等国际顶级权威刊物上发表多项重要研究成果。

每一个生物个体的形成过程都是受精卵分化成为特定细胞类型，从而形成器官组织的过程，很长时间以来这种分化过程都被认为是一个单方向的不可逆的过程。但自从20世纪中期开始，人们发现已分化的细胞在特定的条件下可以转变成为一种多能性的状态，这一过程被称为重编程。其中最突出的成就就是研究人员通过导入一些特定的转录因子（如Oct4，Sox2, Klf4, c-Myc）将分化的体细胞转变为了诱导多能干细胞(iPSCs)。

研究表明，通过体细胞重编程生成的iPSCs是通过抹除体细胞表观遗传特征，即静息的多功能性位点上的DNA甲基化或组蛋白修饰，建立了胚胎干细胞（ESCs）的选择性表观遗传标志，才获得多能性。因此，解析体细胞重编程过程中的表观遗传机制成为了一个研究热点。

DNA甲基化修饰由DNA甲基转移酶催化产生，主要产物为5-甲基胞嘧啶（5mC）。作为一种重要的表观遗传修饰，DNA甲基化广泛参与基因表达的调控，组蛋白修饰的建立等过程。在体内和体外的多种重编程过程中，DNA甲基化的去除，对于全能性基因的激活和组蛋白修饰的重建十分重要。近年来的研究发现Tet家族可以催化5mC的氧化生成5hmC (5-羟甲基胞嘧啶)，从而进一步通过不同途径实现主动去甲基化或被动去甲基化。

在这篇文章中，研究人员发现在体细胞重编程形成人类iPSCs的过程中， TET1催化导致了5hmC水平显著升高，这一羟甲基化改变对表观遗传重编程至关重要。然而他们将iPSCs与hESCs进行比较时发现，iPSCs倾向于在亚端粒区域形成了大尺度的(100 kb–1.3 Mb)异常5hmC重编程热点，其中大部分热点显示CG位点不完全羟甲基化。引人注目是，研究人员发现这些5hmC异常热点大部分（约80%）与iPS和hESC细胞之间的非CG差异性甲基化区域（non-CG-DMRs）重叠。

这些研究结果表明，TET1介导的5hmC修饰有可能促成了iPSCs细胞中表观遗传变化，且导致了iPSC与hESC之间的显著的差异。

原文摘要：

Subtelomeric hotspots of aberrant 5-hydroxymethylcytosine-mediated epigenetic modifications during reprogramming to pluripotency

Mammalian somatic cells can be directly reprogrammed into induced pluripotent stem cells (iPSCs) by introducing defined sets of transcription factors. Somatic cell reprogramming involves epigenomic reconfiguration, conferring iPSCs with characteristics similar to embryonic stem cells (ESCs). Human ESCs (hESCs) contain 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), which is generated through the oxidation of 5-methylcytosine by the TET enzyme family. Here we show that 5hmC levels increase significantly during reprogramming to human iPSCs mainly owing to TET1 activation, and this hydroxymethylation change is critical for optimal epigenetic reprogramming, but does not compromise primed pluripotency. Compared with hESCs, we find that iPSCs tend to form large-scale (100 kb–1.3 Mb) aberrant reprogramming hotspots in subtelomeric regions, most of which exhibit incomplete hydroxymethylation on CG sites. Strikingly, these 5hmC aberrant hotspots largely coincide (∼ 80%) with aberrant iPSC–ESC non-CG methylation regions. Our results suggest that TET1-mediated 5hmC modification could contribute to the epigenetic variation of iPSCs and iPSC–hESC differences.