摘要：研究確定了在成熟細(xì)胞類型中抑制交替譜系的候選保護(hù)性抑制轉(zhuǎn)錄因子。

德國(guó)癌癥研究中心（German Cancer Research Center，DKFZ）和 DKFZ-ZMBH 聯(lián)盟的研究人員在《Nature Genetics》期刊上發(fā)表了題為 “Active repression of cell fate plasticity by PROX1 safeguards hepatocyte identity and prevents liver tumorigenesis” 的論文。這篇論文在細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控和癌癥研究領(lǐng)域具有重要意義，為深入理解肝臟細(xì)胞的命運(yùn)維持機(jī)制以及肝癌的發(fā)病機(jī)理提供了關(guān)鍵線索，有望為肝癌的預(yù)防和治療開(kāi)辟新的方向。

研究背景

細(xì)胞命運(yùn)可塑性在生物體的發(fā)育過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，它使得干細(xì)胞能夠通過(guò)分化形成各種成熟的細(xì)胞類型。然而，不受控制的細(xì)胞可塑性，比如分化受阻、去分化或轉(zhuǎn)分化等，卻與疾病的發(fā)生發(fā)展緊密相關(guān)，也是癌癥的一個(gè)顯著特征。在細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控過(guò)程中，轉(zhuǎn)錄因子（Transcription factors，TFs）扮演著重要角色。雖然單個(gè)譜系特異性的主調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子能夠激活特定的基因網(wǎng)絡(luò)，誘導(dǎo)細(xì)胞向特定類型分化，但轉(zhuǎn)錄抑制因子在維持細(xì)胞命運(yùn)方面的作用尚未完全明晰。此前研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元特異性的轉(zhuǎn)錄因子髓磷脂轉(zhuǎn)錄因子 1 樣（Myelin transcription factor 1 like，MYT1L）可以通過(guò)結(jié)合并抑制許多非神經(jīng)元基因，來(lái)促進(jìn)神經(jīng)元的身份維持，這提示可能存在更多類似的 “保護(hù)抑制因子” 在維持細(xì)胞命運(yùn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，探究細(xì)胞類型特異性的抑制因子是否能積極抑制細(xì)胞命運(yùn)可塑性，以及它們?cè)陬A(yù)防疾病，尤其是癌癥方面的作用機(jī)制，成為了該研究的重要出發(fā)點(diǎn)。

研究方法

計(jì)算篩選：研究人員定義了三個(gè)特征來(lái)識(shí)別保護(hù)抑制因子：細(xì)胞類型特異性和終身表達(dá)、結(jié)合并抑制替代命運(yùn)基因、促進(jìn)和維持細(xì)胞身份。他們聚焦于 18 種跨越所有胚層的細(xì)胞類型，利用 Tabula Muris 數(shù)據(jù)定義細(xì)胞類型特異性基因特征和 1296 個(gè)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)特異性。通過(guò)整合細(xì)胞類型特異性表達(dá)和 DNA 結(jié)合基序在特征基因上的缺失情況，計(jì)算出保護(hù)抑制因子得分，從而篩選出候選的保護(hù)抑制因子。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在細(xì)胞和小鼠模型中進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)。利用重組病毒生產(chǎn)技術(shù)，構(gòu)建含有特定轉(zhuǎn)基因的慢病毒和腺相關(guān)病毒 8（Adeno - associated virus 8，AAV8），用于細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)和體內(nèi)基因操作。通過(guò)將小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（Mouse embryonic fibroblasts，MEFs）重編程為肝細(xì)胞、神經(jīng)元和肌細(xì)胞等實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證候選因子對(duì)細(xì)胞命運(yùn)的影響。在小鼠體內(nèi)，采用水動(dòng)力尾靜脈注射（Hydrodynamic tail - vein injection，HDTVI）技術(shù)構(gòu)建肝癌小鼠模型，研究保護(hù)抑制因子在肝癌發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用。同時(shí)，運(yùn)用免疫沉淀結(jié)合質(zhì)譜分析、染色質(zhì)可及性分析（如 ATAC - seq）、RNA 測(cè)序（RNA - seq）等技術(shù)，深入探究相關(guān)分子機(jī)制。

研究結(jié)果

篩選保護(hù)抑制因子候選者：通過(guò)計(jì)算分析，研究人員從 1296 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子中篩選出 59 個(gè)候選保護(hù)抑制因子，其中 27 個(gè)滿足終身保護(hù)抑制因子的標(biāo)準(zhǔn)，14 個(gè)被報(bào)道能促進(jìn)預(yù)測(cè)的細(xì)胞命運(yùn)。在肝細(xì)胞候選者中，PROX1（prospero homeobox protein 1）表現(xiàn)出肝細(xì)胞特異性表達(dá)，并結(jié)合許多非肝細(xì)胞基因，成為首要的肝細(xì)胞保護(hù)抑制因子候選者。

PROX1 與肝癌的關(guān)系：患者數(shù)據(jù)顯示，肝細(xì)胞候選基因（PROX1、KLF15、ONECUT2 和 ZNF771）的高表達(dá)與肝細(xì)胞癌（Hepatocellular carcinoma，HCC）患者更好的預(yù)后相關(guān)，其中 PROX1 在肝癌組織中的表達(dá)低于正常組織。在 Hep3B 細(xì)胞系和小鼠肝癌模型中，過(guò)表達(dá) PROX1 會(huì)抑制細(xì)胞增殖，減少腫瘤結(jié)節(jié)數(shù)量，延長(zhǎng)小鼠生存期；相反，敲低 PROX1 則會(huì)促進(jìn)細(xì)胞增殖，加速腫瘤形成。這表明 PROX1 在肝癌中具有腫瘤抑制作用。

PROX1 對(duì)肝臟再生和重編程的作用：利用單細(xì)胞 RNA 測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)，在肝臟損傷后的再生過(guò)程中，Prox1 表達(dá)和肝細(xì)胞身份會(huì)顯著下降。在條件性 Prox1 基因敲除小鼠中，肝臟損傷后肝細(xì)胞再生效率降低，血清中肝臟損傷標(biāo)志物堿性磷酸酶（Alkaline phosphatase，ALP）水平升高，說(shuō)明 PROX1 是肝臟損傷后肝細(xì)胞有效再生所必需的。在 MEFs 重編程為肝細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)中，過(guò)表達(dá) Prox1 能提高肝細(xì)胞身份，增加成功重編程的肝細(xì)胞數(shù)量；敲低 Prox1 則會(huì)損害肝臟重編程，表明 PROX1 對(duì)肝細(xì)胞命運(yùn)誘導(dǎo)至關(guān)重要。

PROX1 抑制替代命運(yùn)：過(guò)表達(dá) PROX1 幾乎完全抑制神經(jīng)元和肌細(xì)胞的重編程，同時(shí)促進(jìn)肝細(xì)胞命運(yùn)。在肝細(xì)胞重編程過(guò)程中，PROX1 通過(guò)與核心抑制因子相互作用，主要是與核小體重塑和去乙酰化（Nucleosome remodeling and deacetylase，NuRD）復(fù)合物的 11 個(gè)成員相互作用，關(guān)閉染色質(zhì)，抑制非肝細(xì)胞命運(yùn)基因的表達(dá)，從而促進(jìn)肝細(xì)胞身份的維持。

PROX1 調(diào)控肝癌可塑性：PROX1 在 HCC 中的表達(dá)比膽管癌（Cholangiocarcinoma，CCA）高 1.4 倍，且 HCC 患者中高表達(dá) PROX1 的生存期更好。在小鼠肝癌模型中，敲低 Prox1 會(huì)使腫瘤從 HCC 向 CCA 轉(zhuǎn)變，而過(guò)表達(dá) Prox1 則誘導(dǎo) CCA 向 HCC 轉(zhuǎn)變。這表明 PROX1 可以調(diào)節(jié)肝癌的可塑性，維持肝細(xì)胞身份，防止肝臟疾病的發(fā)生。

研究結(jié)論與討論

這項(xiàng)研究表明，PROX1 作為一種肝細(xì)胞特異性的保護(hù)抑制因子，通過(guò)抑制非肝細(xì)胞基因，積極抑制細(xì)胞命運(yùn)可塑性，從而維持肝細(xì)胞身份并預(yù)防肝癌發(fā)生。在發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞命運(yùn)可塑性逐漸受到限制，而 PROX1 的持續(xù)表達(dá)和功能發(fā)揮對(duì)于肝細(xì)胞命運(yùn)的維持至關(guān)重要。從機(jī)制上講，PROX1 通過(guò)與 NuRD 復(fù)合物相互作用，關(guān)閉染色質(zhì)，抑制替代命運(yùn)的主調(diào)節(jié)因子，如 Prrx1 和 Pparg 等，進(jìn)而促進(jìn)肝細(xì)胞命運(yùn)。

在肝癌研究方面，該研究成果具有多方面的重要意義。一方面，發(fā)現(xiàn) PROX1 在肝癌中的腫瘤抑制作用，且其過(guò)表達(dá)能顯著延長(zhǎng)小鼠生存期，這為肝癌的治療提供了新的潛在靶點(diǎn)。與目前肝癌治療中使用的激酶抑制劑索拉非尼相比，Prox1 過(guò)表達(dá)對(duì)小鼠生存期的延長(zhǎng)效果更為顯著，這為開(kāi)發(fā)更有效的肝癌治療策略提供了新的思路。另一方面，PROX1 對(duì)肝癌可塑性的調(diào)控作用，即能夠調(diào)節(jié)肝細(xì)胞向 HCC 或 CCA 的轉(zhuǎn)化，有助于深入理解肝癌的發(fā)病機(jī)制，為肝癌的早期診斷和精準(zhǔn)治療提供了理論基礎(chǔ)。

此外，該研究還提出了一種關(guān)于保護(hù)抑制因子的模型，這類因子通過(guò)調(diào)節(jié)不適當(dāng)可及的基因，維持細(xì)胞命運(yùn)。研究人員通過(guò)對(duì) 18 種細(xì)胞類型的分析，鑒定出多個(gè)候選保護(hù)抑制因子，這為進(jìn)一步研究細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控機(jī)制提供了方向。未來(lái)，深入探究這些保護(hù)抑制因子在其他細(xì)胞類型中的作用，以及它們與疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系，有望為再生醫(yī)學(xué)和癌癥治療帶來(lái)更多突破。同時(shí)，研究 PROX1 等轉(zhuǎn)錄因子如何在不同細(xì)胞環(huán)境中依賴輔助因子發(fā)揮作用，也將加深對(duì)細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控復(fù)雜性的理解，推動(dòng)生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

[1] Active repression of cell fate plasticity by PROX1 safeguards hepatocyte identity and prevents liver tumorigenesis