目前普遍認為，人胚胎干細胞（hESCs）存在兩種不同的多能性狀態(tài)，即原始態(tài)（naive）和始發(fā)態(tài)（primed）。naive 狀態(tài)的干細胞類似于胚胎植入前的外胚層，具有最高的發(fā)育潛能。primed 狀態(tài)的干細胞類似于植入后的外胚層，在發(fā)育階段比na?ve干細胞較晚，多能性相對較低。這兩種狀態(tài)的干細胞在形態(tài)、克隆形成能力、信號通路、表觀遺傳特征和代謝等方面存在諸多差異。因此探索不同狀態(tài)干細胞的穩(wěn)態(tài)維持、分化以及相互轉(zhuǎn)化的分子機制在發(fā)育生物學和再生醫(yī)學領域十分重要。盡管近年對人胚胎干細胞的研究取得了諸多進展，但對于其多能性的調(diào)控，尤其是na?ve和primed狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的分子事件，依然不清楚。

乙酰葡萄糖胺修飾（O-GlcNAc）是真核細胞內(nèi)普遍存在的一種非經(jīng)典的蛋白糖基化修飾方式。由O-GlcNAc糖基轉(zhuǎn)移酶（OGT）負責在蛋白上添加O-GlcNAc，O-GlcNAc糖苷酶（OGA）將O-GlcNAc從蛋白上去除，具有高度動態(tài)性；此外，它與多種信號通路相互串擾，并調(diào)節(jié)包括轉(zhuǎn)錄、翻譯、信號轉(zhuǎn)導、代謝重編程、細胞分化和胚胎發(fā)育等在內(nèi)的多種重要的生理過程，以維持細胞及機體的穩(wěn)態(tài)。之前針對O-GlcNAc在干細胞中的研究主要集中于OGT，而對于OGA在其中的作用卻鮮有報道。

2024年6月27日，浙江大學生命科學學院生物化學研究所易文教授課題組在Stem Cell Reports雜志在線發(fā)表題為“O-GlcNAcase Regulates Pluripotency States of Human Embryonic Stem Cells”的研究論文。該論文被選為7月份出版期刊的封面文章（圖1）。該研究以na?ve和primed兩種狀態(tài)的hESCs為研究對象，深入探討OGA對na?ve和primed hESCs兩種多能性狀態(tài)維持和相互轉(zhuǎn)化的影響，以及調(diào)控primed和na?ve兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)變的分子機制。該研究擴展了目前對人胚胎干細胞穩(wěn)態(tài)調(diào)控的理解，為制備高多能性的胚胎干細胞提供了重要的實驗基礎。

圖1：入選雜志的封面

該研究中，作者首先發(fā)現(xiàn)OGA作為去除O-GlcNAc修飾的關鍵酶，其表達水平在na?ve 干細胞中顯著高于primed 干細胞（圖2A）。敲低OGA顯著抑制na?ve 干細胞的多能性，但對primed細胞的多能性沒有影響；OGA的缺失促進na?ve hESCs向primed方向轉(zhuǎn)化（圖2B）。

圖2：OGA在na?ve 干細胞中高表達

此外，作者發(fā)現(xiàn)EP300轉(zhuǎn)錄調(diào)控OGA進而影響na?ve多能性，并進一步發(fā)現(xiàn)EP300可結(jié)合到OGA啟動子區(qū)域，其可能通過對OGA啟動子結(jié)合區(qū)域的表觀遺傳組蛋白乙?；揎梺斫閷GA轉(zhuǎn)錄。進一步的轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)OGA可以調(diào)控干細胞中全局基因表達，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡、分化發(fā)育通路、MAPK/ERK以及代謝通路等影響干細胞的多能性維持及狀態(tài)間轉(zhuǎn)化（圖3）。

圖3：OGA調(diào)控干細胞中全局基因表達

最后，作者通過糖基化蛋白組學揭示了primed和na?ve兩種狀態(tài)干細胞的糖基化差異蛋白（圖4），為進一步闡明O-GlcNAc糖基化在胚胎干細胞多能性的維持及兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化中的重要作用提供了基礎。

圖4：Primed和na?ve兩種狀態(tài)干細胞的糖基化蛋白組學

浙江大學生命科學學院易文課題組博士生劉倩玉為該論文第一作者。易文教授為該論文的通訊作者。該研究得到國家杰出青年基金項目、重大研究計劃集成項目、以及面上項目的支持。

原文鏈接：https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(24)00151-6