日期：2020/11/25
杂志：Nature
杂志影响因子：36
原文标题：TRF2-independent chromosome end protection during pluripotency
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2960-y
来源：英国The Francis Crick Institute
摘要
端粒是染色体末端的特殊结构，可保护我们的DNA并确保细胞健康分裂。根据弗朗西斯·克里克研究所（Francis Crick Institute）的研究人员发表在《自然》杂志上的一项新研究，端粒保护机制在干细胞中出奇地独特。
哺乳动物端粒可保护染色体末端免受错误的DNA修复。TRF2是端粒特异性伞蛋白复合物的组成部分，可通过端粒末端重复序列T环结构来促进末端保护。删除体细胞中的TRF2（也称为TERF2）可消除T环的形成，这与端粒去保护，染色体端对端融合和不可复制性相吻合。相比之下，作者确定TRF2对于小鼠多能胚胎干（ES）和表皮干细胞中的端粒保护在很大程度上是可有可无的。没有TRF2的ES细胞端粒反而会激活减弱的端粒DNA损伤反应，这种反应缺乏伴随的端粒融合，并传播了多代。显示ES细胞独立于TRF2形成T环，这揭示了为什么TRF2在多能性过程中对于末端保护是可有可无的。总体而言，这些数据确定端粒保护是由多能和体细胞组织中的不同机制解决的。
内容
在过去的20年中，研究人员一直在努力研究端粒如何保护染色体末端免于错误修复和结合在一起，因为这对于我们对癌症和衰老的理解具有重要意义。在健康的细胞中，这种保护作用非常有效，但是随着年龄的增长，端粒逐渐变短，最终以至于它们失去了某些保护功能。在健康细胞中，随着年龄的增长，这会导致我们的健康状况逐渐下降。相反，端粒缩短对肿瘤发展构成了保护性障碍，癌细胞必须解决该障碍才能抑制无限期分裂。在体细胞中，除了干细胞和配子以外，它是成年体内的所有细胞，我们知道一种称为TRF2的蛋白质有助于保护端粒。它通过绑定并稳定一个称为t环的环结构来，该环结构掩盖了染色体的末端。除去TRF2蛋白时，不会形成这些环，并且染色体末端融合在一起，导致细胞死亡。但是，在这项最新研究中，Crick研究人员发现，当从小鼠胚胎干细胞中去除TRF2蛋白时，t环会继续形成，染色体末端仍会受到保护，而这些细胞在很大程度上不会受到影响。随着胚胎干细胞分化为体细胞，这种独特的末端保护机制消失了，t环和染色体末端保护都依赖于TRF2。这表明体细胞和干细胞以根本不同的方式保护其染色体末端。所以干细胞中t环的形成并不需要TRF2，原文作者推断必须存在其他一些因素可以起到相同的作用，或者具有不同的机制来稳定这些细胞中的t环。由于某种原因，干细胞已经进化出这种独特的保护染色体末端的机制，这不同于体细胞。他们发现具有t环但没有TRF2的干细胞中的端粒仍然受到保护，这表明t环结构本身具有保护作用。
对于ES细胞中的端粒末端保护和细胞生存力，TRF2在很大程度上是可有可无的。
之前假设认为体细胞和干细胞中端粒保护机制是保守的，但是目前缺乏证据。为了直接对此进行调查，作者获得了Trf2f / f；creERT2多能小鼠ES细胞和体细胞小鼠耳成纤维细胞。TRF2是体细胞中端粒末端保护的中心效应子，在用4-羟基他莫昔芬（OHT）处理后，在两种细胞中均迅速丢失（图1a）。如先前报道一致，耳成纤维细胞中TRF2的丢失会诱导端粒端到端牢固融合，具有4N DNA含量的细胞蓄积和细胞死亡（图1b–d）。相比之下，OHT处理后4或10天，三个独立的ES细胞克隆中的TRF2丢失均未诱导端粒端对端融合（图1b，c）。此外，缺乏TRF2的ES细胞增殖了许多代，增长率仅略有下降，并且未显示细胞周期改变或多能性标志物OCT4和Nanog的表达变化。缺少TRF2的ES细胞也保留了正常的端粒3'端G-突出，并且没有显示端粒易碎，端粒长度不均一，端粒丢失或端粒姐妹染色单体交换等现象（图1e，f）。
图1
庇护素复合物（shelterin complex）是ES细胞端粒保护所必需的。
接下来，我们研究了通过对从ES细胞端粒Trf1和Trf2去除。施用OHT后72小时，产生的无防护素的ES细胞显示出广泛的端粒融合，突出的53BP1 TIF，强劲的CHK2活化，G2 / M阻滞和细胞死亡（图2e–i）。
图2
依赖TRF2的染色体末端保护始于多能性细胞下游细胞。
由于ES细胞在谱系确定和分化之前就经历了规范的发育阶段，因此我们接下来探讨在发育中从很大程度上不依赖TRF2的过渡到严格依赖TRF2的末端保护的过程。作者在胚胎第（E）6.5天从胚胎中获得了表皮干细胞，它代表了发育中的初发多能状态（与幼稚的多能E3.5衍生的ES细胞不同）。与ES细胞的结果一致，Trf2缺失不影响表皮干细胞中多能性标记的表达，赋予较小的TIF反应（相对于体细胞），也不诱导实质性端粒融合，牢固的CHK2活化或凋亡（图3a–d）。
图3
TRF2缺失的胚胎会因为囊胚的膨胀而受损。
为了确定体内TRF2丢失的影响，培育了Trf2 +/-小鼠并获得了处于不同发育阶段的胚胎。在E3.5观察到了预期的Trf2-/-胚胎孟德尔比率，但在E6.5却没有得到很好的代表（图4a）。为了检查Trf2-/-胚胎何时受损，我们从E0.5的Trf2 +/-杂交获得受精卵母细胞，并使用EmbryoScope实时成像可视化发育。Trf2-/-胚胎能够以正常的频率和发育速率启动胚泡的形成，然后胚泡在扩增和随后的孵化过程中受到严重损害（图4b-d）。Trf2-/-E3.5胚胎的泛核γH2AX染色也显示出增加的细胞并伴有起泡（表明凋亡），而且Nanog阴性。
图4
T环的形成独立于ES细胞中的TRF2
尽管TRF2对于ES细胞的大多数末端保护功能是必不可少的，但Trf2缺失赋予这些细胞弱的CHK2激活和低水平的TIF（图1g–i）。我们观察到ES细胞中Trf2缺失诱导的这种弱DDR依赖于Atm。
图5
总结
总之，数据表明，TRF2是体细胞中端粒保护的主要介体，在胚胎早期发育过程中，对于多能细胞中端粒的保护在很大程度上是必需的。缺少TRF2的ES细胞端粒可激活轻度的ATM依赖的DDR。分化后，干细胞的这种独特属性消失了，TRF2在末端保护中发挥了全部作用。还显示，T环的形成独立于ES细胞中的TRF2。在存在T环但没有TRF2的情况下保留末端保护，这证实了T环是端粒末端保护的关键介体，而与它们的形成方式无关。预计多能性退出后会出现发育开关，该开关将T环从独立于TRF2的形成过渡到依靠TRF2的形成和/或稳定。在没有TRF2的情况下，如何控制这种发展的开关，如何形成和稳定T环，这种替代性机制是否在其他情况下发生以及为什么会发展等问题尚待研究。
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