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.2017年3月；35(3):694-704.
doi:10.1002/stem.2514。 Epub 2016年11月8日。

双稳态表观遗传状态解释间充质干细胞异质性的年龄依赖性下降

扎希亚·哈米杜什 1 2, 凯伦·罗瑟 三, 延斯·普日比拉 三, 阿克塞尔·克林恩 三, 丹尼斯·克莱 1, 莉迪亚·霍普 三 4, 克莱尔·费边 三 5, 亚历山德拉·斯托尔金 三, 汉斯·宾德尔 三, 皮埃尔·查尔博德 1 6, 乔格·加勒 三
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双稳态表观遗传状态解释间充质干细胞异质性的年龄依赖性下降

扎希亚·哈米杜什等。 干细胞. 2017年3月.

摘要

干细胞的一个主要特征是异质性，其分子机制尚不清楚。我们在这里研究了小鼠骨髓间充质干细胞（MSC）克隆中膜干细胞抗原-1（Sca-1）的表达。我们发现，具有不同Sca-1表达谱的亚群在几天内再生了母亲群体的Sca-1谱。然而，在体外广泛复制后，表达谱转移到较低值，再生时间增加。对Ly6a启动子的研究表明，Sca-1的表达水平与激活组蛋白标记H3K4me3的启动子占据有关。我们证明，这些发现可以通过考虑启动子H3K4me3修饰和基因转录之间正反馈的计算模型得到一致的解释。这种反馈暗示了双稳态表观遗传状态，由于组蛋白（去）修饰的持续性，细胞以年龄依赖的频率占据了这种状态。我们的结果提供了证据，表明MSC异质性，以及其他干细胞的异质性，与双稳态表观遗传状态相关，并表明MSC受到永久状态波动的影响。干细胞2017；35:694-704.

关键词：老化；表观遗传学；FACS；间充质干细胞；甲基化。

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数字

图1
图1
骨髓间充质干细胞（MSC）克隆的产生。（A）：MSC克隆在扩张第7天（bar:100µm）。（B）：MSC的克隆效率。显示了三种不同极限稀释试验的结果。红线对应37%的井没有克隆生长。（C）：MSC克隆的表型（10个克隆）。灰色线是负值控件。
图2
图2
在群体水平上再生Sca‐1表达。（A）：应用于P6克隆AC3的细胞分选特征。母亲群体的Sca‐1剖面以黑色显示，而同型对照的Sca­1剖面则以灰色显示。Sca1-L的分拣门用蓝色表示，Sca1-M用绿色表示，而Sca1-H用红色表示。（B）：硅内（左侧面板）和体外（右侧面板）标记物再生研究的结果。比较标记表达状态α和Sca‐1荧光谱的变化。所示为后续培养第1-6天（D1-D6）的所有分类亚群。颜色如A所示。（C–E）：延长克隆扩展后的再生。（C） 再生Sca‐1荧光图谱的比较（克隆AC5）。比较P5和P11的剖面。所示为排序后第6天的所有亚群（L、M和H）和母亲群WCP。中间荧光通道用虚线表示。（D） 早期（P5和P6）、中期（P7和P8）和晚期传代（P9‐P12）细胞中测得的Sca‐1中值荧光（与同型对照的荧光相关）。方框图以第一和第三四分位和平均值显示；误差条为SD。（E）早期、中期和晚期传代（P9‐P12）细胞成功再生所需的时间跨度。对于晚期传代细胞，由于在3种情况下，在实验的时间范围内（10天）没有观察到再生，因此仅显示了6分中的3分。缩写：Sca‐1，干细胞抗原1；WCP，全细胞群。
图3
图3
Sca‐1亚群的分子特征。（A）：排序后立即对P12克隆C1的Sca‐1亚群的分类特征和自组织图（SOM）进行描述。每个亚群的SOM肖像分别以红色和蓝色显示特定的过度表达和表达不足点。与在母亲群体WCP中观察到的相比，它们是不同的。X表示含有Ly6簇的过度表达点。（B）：WCP和L、M和H种群中Ly6基因（Ly6a、Ly6c1、Ly6c 2、Ly6e）的差异表达。ΔlogE表示以所有样本中基因的平均基因表达为中心的表达。（C）：Ly6a基因位点的结构和分析的CpG的位置（For：正向；Rev：反向外引物）。（D–F）：Ly6a启动子的表观遗传状态(n个 = 3，误差条：SEM）。（D） 所分析CpG的DNA甲基化水平是稳定的。与Sca‐1H（H）和Sca­1L（L）以及年轻（Y）和老化（A）细胞相比，变化（ΔDNAme）较小。（E，F）启动子的H3K4me3修饰水平与基因表达相关。（E） 与Sca-1L亚群相比，Sca‐1H较高，而年轻（P3）WCP与老年（P13）WCP相比，F较高。无论Sca‐1分类和年龄如何，H3K27me3修饰水平都很低(* = 0.05,t吨测试）。缩写：Sca‐1，干细胞抗原1；WCP，全细胞群。
图4
图4
Ly6a启动子双稳态表观遗传状态模型。（A）：上面板：一般监管原则。对于启动子CpG密度高的基因，与年龄相关的启动子超甲基化导致转录激活降低（左）。这些变化也会影响未显示出与年龄相关的启动子甲基化变化的基因的表达。在Ly6a模型基因的情况下，我们假设它们诱导了减少的转录激活（右）。下面板：Ly6a具体监管原则。所示为Ly6a模型基因的表达T，按其最大T进行缩放最大值，取决于活化A（按A缩放最大值)在双稳态区域，由于随机的H3K4me3（de‐）修饰反应（细箭头），在高（红色）和低（蓝色）表达状态之间发生切换。绿色虚线表示T的不稳定解决方案。如果A低于阈值“A”，系统显示单稳态Sca‐1L行为。如果A增加到阈值“b”以上，系统显示单稳态Sca‐1H行为。老化导致转向低活化a。细黑线表示不受H3K4me3影响的溶液。（B）：应用表观遗传学模型的模拟Sca‐1表达谱。所示为分拣后（D0）以及再生后1天和6天（D1、D6）的剖面图。该示例比较了早期和晚期传代的再生，即分别在细胞膨胀2周和7周后。左图：在早期传代中，在母细胞群体中观察到Ly6a模型基因的广泛表达水平分布（黑色）。对于低表达细胞（蓝色）和高表达细胞（红色），这种分布在6天内完全再生。右面板：在后期，高表达状态不太稳定，因此表达水平的分布缩小。再生仍会发生，但不会重建早期传代的分布。缩写：Sca‐1，干细胞抗原1。
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