Wnt信号通路在干细胞的生长发育、干性维持、肿瘤发生和转移等过程中都起到非常重要作用。但由于Wnt信号通路调控依赖于WNT配体的浓度梯度，导致其体内研究尤其困难。研究表明，WNT3a蛋白偶联的磁珠可以在空间上产生Wnt信号的梯度分布，并且能够诱导小鼠胚胎干细胞产生不对称细胞分裂。当细胞与磁珠接触并且分裂之后，靠近磁珠的子细胞会维持干细胞干性，而远离磁珠的子细胞发生细胞分化1。在此过程中，亲本和新合成的组蛋白同样以不对称的方式分离到子细胞中，导致组蛋白在两个子细胞中的差异继承2。然而这种细胞不对称分裂背后的转录和表观遗传变化尚未阐明。
2021年10月12日，我院方东实验室在Nature Communications在线发表了题为“Joint single-cell multiomic analysis in Wnt3a induced asymmetric stem cell division”的研究论文。论文中作者建立了一种新的测序方法—SET-seq（same cell epigenome and transcriptome sequencing），该方法可以同时在单个细胞中捕获蛋白-染色质互作和基因表达信息。利用SET-seq，作者对Wnt3a诱导小鼠胚胎干细胞的不对称分裂进行了深入分析研究，揭示了在分化过程中维持和重置干细胞命运的基因调控机制。
SET-seq首先分离同一细胞的细胞核以及细胞质RNA，之后基于Tn5转座酶，在细胞核中对目标蛋白结合的染色质片段进行表观文库构建；同时反转合成细胞质RNA的cDNA，使用Tn5转座酶对cDNA/RNA杂交链进行转录组文库构建（图1A）。SET-seq不仅能够在少量细胞中进行，并且能够应用到单细胞水平。其建库方法简单，能够在实验室内快速建立实验系统。在Wnt3a诱导的小鼠胚胎干细胞不对称分裂过程中，作者在单细胞水平上利用SET-seq联合检测了子细胞中H3K27me3、H3K4me3以及对应的基因表达。通过基因表达的差异性将子细胞分成了“Mix”，“Proximal”以及“Distal”三个不同的细胞亚群，并且发现其中的“Proximal”以及“Distal”两个亚群中主要分布了非对称分裂的子细胞，而“Mix”亚群中则主要分布了对称分裂的子细胞。作者进一步分析了在子细胞中H3K27me3、H3K4me3与基因表达之间的关系，发现H3K27me3与不对称细胞分裂中的基因表达变化具有较强相关性，并且在对称分裂的“Mix”细胞亚群中的marker基因上具有更高的富集程度，说明H3K27me3在细胞非对称分裂中起到了关键作用（图1B）。在H3K27me3甲基转移复合物PCR2的相关元件中，只有AEBP2在对称分裂的“Mix”细胞亚群中表达量远高于其他两个细胞亚群。敲除Aebp2后产生不对称分裂细胞的比例升高，进一步证实了H3K27me3作为关键调控因素在Wnt3a诱导的细胞不对称分裂过程中起着重要作用。
方东研究员为本文的通讯作者，博士研究生孙中兴、唐寅、张燕君和房圆为共同第一作者，该工作受到国家自然科学基金的资助。
图1. 通过SET-seq证实了在Wnt3a诱导的小鼠胚胎干细胞不对称分裂过程中，H3K27me3作为关键调控因素起到了重要的作用。A. SET-seq建库原理。ConA beads：Concanavalin A beads。B. H3K27me3在Wnt3a诱导的细胞不对称分裂起到重要作用。TSS，转录起始位点；TES，转录结束位点。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26203-0
参考文献：
1 Habib, S. J. et al. A Localized Wnt Signal Orients Asymmetric Stem Cell Division in Vitro. Science 339, 1445-1448 (2013).
2 Ma, B., Trieu, T. J., Cheng, J., Zhou, S. & Chen, X. Differential Histone Distribution Patterns in Induced Asymmetrically Dividing Mouse Embryonic Stem Cells. Cell Reports 32, 108003 (2020).