细胞分化过程中基因表达调控涉及到信号与转录因子线性相互作用，而细胞增殖是与分化相伴相生的过程。但细胞分化是否需要祖细胞增殖来加强对于细胞谱系分化中信息的处理呢？如果是，那么该过程又是如何协调发生的呢？ 2023年1月23日，丹麦哥本哈根大学Joshua M. Brickman 研究组与英国爱丁堡大学Wendy A. Bickmore 研究组合作在Nature Cell Biology发文题为Expansion of ventral foregut is linked to changes in the enhancer landscape for organ-specific differentiation，发现细胞增殖与组织扩张（Expansion）息息相关，同时调节基因调控网络的平衡从而允许细胞能够精细分化。 为了研究组织扩张对内胚层分化的影响，作者们将目光集中在了三维人类内胚层祖细胞（Endodermal progenitors，EPs）的培养上【1】。作者们使用的实验方案在FGF2、BMP4、VEGF以及EGF存在的情况下促进内胚层细胞的增殖，这些因子均在腹侧前肠区域表达。首先作者们对组织扩张过程中基因表达进行检测，由此可以定义两个亚细胞群，但是体外培养的内胚层祖细胞是同质的。在人类发育过程中，腹侧前肠发育在卡耐基时期8和9【2】。小鼠腹侧前肠区域处于活跃周转阶段，与此相对应，作者们发现人内胚层祖细胞培养细胞增殖频率逐渐增加。在小鼠中，HHEX对于支持腹侧前肠分化和形态形成非常关键【3】。为了进一步确认人内胚层祖细胞的命运，作者们敲低了体外培养hEPs中的HHEX，发现细胞增殖明显降低。根据腹侧前肠标记物的表达以及对HHEX功能表达分析，作者们建立起了腹侧前肠祖细胞体外培养。 进一步地，作者们在体外培养模型中比较了腹侧前肠祖细胞扩增下对于分化的影响，作者们发现随着组织扩张增加，胰腺细胞谱系分化效率也逐渐增加。作者对所得到的体外培养模型进行ATAC-seq（Assay for transposase-accessible chromatin using sequencing，ATAC-seq）检测基因表达可及性，并通过使用线性模型鉴定出启动子远端ATAC-seq峰共计57,803个。通过对染色质可及性的区域空间模式的区分，作者们共定义了六组直接的增强子类别。为了将这些增强子群与基因表达的变化的联系起来，作者们检测了腹侧前肠内侧扩张过程中显著变化的基因，并对位于单个最近基因25 kb或200 kb内的增强子与特定基因进行匹配，发现腹侧前肠内的组织的扩张会刺激胰腺细胞谱系分化相关的增强子诱导靶基因表达。 为了深入理解增强子景观在诱导腹侧前肠内胚层细胞扩张与促进分化中的作用，作者们发掘分化“不完美”的腹侧前肠内胚层细胞谱系中增强子特征，进一步通过与体内H3K27ac数据库相比较，找到了腹侧前肠内胚层细胞谱系扩张过程中器官特异性增强子，这些增强子与腹侧前肠内胚层谱系增殖能力相关。 为了揭开与腹侧前肠内胚层细胞谱系增强子作用相关的转录因子，作者们对不同类别启动子的特异性转录因子结合基序进行分析。从分析结果中可知，FOXA转录因子结合基序广泛富集在这些增强子区域。FOXA转录因子是著名的先锋因子，能够结合到基因调控区域为后续的基因激活作准备【4】。先前的研究表明敲低FOXA1并不会影响胰腺内胚层的分化【5】。作者们分别敲低FOXA1以及FOXA2，发现两者都不会影响腹侧前肠内胚层细胞谱系基因表达，但是敲低FOXA2会导致细胞扩张降低，进而影响胰腺谱系分化。 总的来说，作者们的工作利用人类胚胎干细胞来源的内胚层祖细胞建立起了腹侧前肠的体外培养模型，并发现其分化效率与器官特异性增强子景观相关。这说明细胞增殖并非只是单纯的组织扩张，也是重要的基因表达调节网络中的关键“调节器”。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41556-022-01075-8
制版人：十一
参考文献
1. Cheng, X. et al. Self-renewing endodermal progenitor lines generated from human pluripotent stem cells. Cell Stem Cell 10, 371–384 (2012).2. Jennings, R. E. et al. Development of the human pancreas from foregut to endocrine commitment. Diabetes 62, 3514–3522 (2013).3. Bort, R. Hex homeobox gene-dependent tissue positioning is required for organogenesis of the ventral pancreas. Development 131, 797–806 (2004).4. Zaret, K. S. & Carroll, J. S. Pioneer transcription factors: establishing competence for gene expression. Genes Dev. 25,2227–2241 (2011).5. Lee, K. et al. FOXA2 is required for enhancer priming during pancreatic differentiation. Cell Rep. 28, 382–393.e7 (2019).