近日,，來自喬治亞理工學(xué)院和埃默里大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)的濃縮對于胚胎干細(xì)胞的成功分化是必不可少的,。染色質(zhì)是由組蛋白和DNA緊密壓縮包裝而組成的。相關(guān)研究成果刊登在了5月10日的國際著名雜志PLoS Genetics上。文章中,，研究者發(fā)現(xiàn)缺少組蛋白H1亞型的胚胎干細(xì)胞表現(xiàn)出染色質(zhì)濃縮能力的下降,，并且這種胚胎干細(xì)胞分化能力會受到嚴(yán)重?fù)p傷以及誘導(dǎo)分化的分化基因的能力會喪失,。
研究者在實驗中觀察到了胚胎干細(xì)胞表現(xiàn)出一種松弛的,、開放的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，然而分化細(xì)胞卻表現(xiàn)出了緊密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu),；“這項研究首次揭示了,，染色質(zhì)的緊密壓縮（compaction）狀態(tài)不僅僅是細(xì)胞分化的結(jié)果，而是細(xì)胞進(jìn)行分化所必須的,。”研究者Yuhong Fan這樣說,。為了研究連接體組蛋白和染色質(zhì)折疊對于干細(xì)胞分化產(chǎn)生的影響，研究者用缺少三種組蛋白亞型H1,、H2,、H3的胚胎干細(xì)胞進(jìn)行研究，這三種組蛋白是促進(jìn)染色質(zhì)折疊成高緊密序列結(jié)構(gòu)所必須的,。研究者發(fā)現(xiàn)在胚胎干細(xì)胞分化的過程中組蛋白H1的表達(dá)水平會升高,，缺少組蛋白H1的干細(xì)胞可以長時間不進(jìn)行分化，表現(xiàn)出分化受損,，并且不能夠成功形成神經(jīng)細(xì)胞的高質(zhì)量信號網(wǎng)絡(luò),。
這項研究揭開了組蛋白H1的一個新的調(diào)節(jié)功能，組蛋白H1以前我們僅僅認(rèn)為它是染色體中的一個重要的結(jié)構(gòu)組分,。通過展示組蛋白H1在控制基因影響干細(xì)胞分化上的功能后,，研究者擴(kuò)大了對組蛋白H1的認(rèn)識。在自發(fā)分化的過程中,，大多數(shù)三倍H1敲除的胚胎干細(xì)胞仍然表現(xiàn)出了未分化干細(xì)胞的染色體緊密包裝的狀態(tài),，并且Oct4的高表達(dá)的水平被延長。Oct4是一個多潛能的基因,，可以維持胚胎干細(xì)胞有自我更新的能力并且抑制誘導(dǎo)分化,。
組蛋白H1的去除會損傷Oct4的抑制作用以及其同源的多潛能基因的功能。組蛋白H1和染色質(zhì)的包裝會通過促成多潛能基因的表觀沉默來調(diào)節(jié)多功能干細(xì)胞的分化,，H1水平的顯著降低并不會影響到胚胎干細(xì)胞的自我更新,，但是會影響其分化。研究者又運(yùn)用了旋轉(zhuǎn)的懸浮培養(yǎng)的方法來產(chǎn)生胚胎體高效的3D同質(zhì)團(tuán)塊,，胚胎體包含了來自三個層面（外胚層,、中胚層、內(nèi)胚層）的不同的細(xì)胞類型,，可以產(chǎn)生機(jī)體組織和結(jié)構(gòu),，然而,，在懸浮培養(yǎng)基中,，大多數(shù)H1三倍敲除的胚胎體并沒有形成分化的機(jī)體結(jié)構(gòu)，而且表現(xiàn)出了未分化細(xì)胞所表現(xiàn)出的基因表達(dá)水平和特征。在培養(yǎng)基中,，H1三倍敲除的胚胎體（H1 triple-konckout）中很多發(fā)育基因的激活水平都下降了,，意味著分化成為外、中,、內(nèi)胚層的組織受到了影響,。研究者Fan表示，胚胎體同樣在分化必備的潛能基因上缺少表觀遺傳的改變,。
研究者Fan說,，當(dāng)向胚胎體中加入一個H1剔除的亞型組蛋白后，Oct4的正常功能被抑制,，胚胎體的分化繼續(xù),，H1對Oct4水平的表觀調(diào)節(jié)也在小鼠胚胎模型中得到了證實。在另一項實驗中,，研究者提供了胚胎干細(xì)胞可以分化為神經(jīng)細(xì)胞的環(huán)境,，然而，三倍H1敲除的細(xì)胞在形成神經(jīng)元細(xì)胞,、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞以及構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上仍然存在功能性缺失,，僅僅有10%的三倍H1敲除的胚胎干細(xì)胞可以形成神經(jīng)突，而且每一個細(xì)胞平均形成8個神經(jīng)突,，然而每一個正常的胚胎干細(xì)胞平均可以生成18個神經(jīng)突,。
將來研究者計劃去研究，是否控制H1組蛋白的水平可以被用于影響成體細(xì)胞的程序性重編最終獲得誘導(dǎo)的多能性干細(xì)胞,，這樣,，我們將能夠以胚胎干細(xì)胞相似的方式去分化成為各種組織結(jié)構(gòu)。（生物谷：T.Shen編譯）
doi:10.1371/journal.pgen.1002691
PMC:
PMID:
Histone H1 Depletion Impairs Embryonic Stem Cell Differentiation
Yunzhe Zhang1,2#, Marissa Cooke2,3#, Shiraj Panjwani1,2#, Kaixiang Cao1,2, Beth Krauth3, Po-Yi Ho1,2, Magdalena Medrzycki1,2, Dawit T. Berhe2, Chenyi Pan1,2, Todd C. McDevitt2,3, Yuhong Fan1,2*
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.
