组织干细胞也有记忆:通过积累表观遗传记忆 扩展潜能和改变组织适应性

时间:2021年11月30日
来源:生物通

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研究人员观察到干细胞也能如免疫细胞一样积累不同环境事件的表观遗传记忆。通过损伤皮肤和监测动员毛囊干细胞修复表皮的时间步骤,作者发现干细胞积累了着对其原始生态位、迁移、遭遇炎症以及适应新的命运和任务的记忆。

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免疫干细胞和组织干细胞保留炎症的表观遗传记忆,增强对未来遭遇的敏感性。新研究发现干细胞也拥有并积累了不同经历的记忆。通过监控一个精心设计的伤口反应,研究人员发现毛囊干细胞离开它们的生态位,迁移到修复受损的表皮,并在那里长期驻扎在那里,它们积累了每一次经历的持久的表观遗传记忆,最终导致修复后表观遗传适应,维持表皮转录程序和表面屏障。每一种记忆都是不同的,可分离的,并且有其自身的生理影响,共同赋予这些干细胞更高的再生能力来愈合伤口,并扩大功能。在体内平衡期间,“迁移”干细胞在功能和转录上与原生细胞相似,但在未来的攻击中,它们会释放离散的表观遗传记忆,以增强生理反应并影响组织适应性。

简介

组织干细胞感知周围环境,这种感知影响到随后的命运和功能——对环境的反应和整合决定了它们的命运和功能。损伤导致微环境发生根本性变化,触发干细胞经历离开原来的生态位,迁移到伤口床上,克服炎症,产生组织新生,并在新的部位定居。伤口也可以诱导可塑性,动员干细胞修复相关但不同的组织。干细胞在空间上的定义,以及这些损伤的后果,以及如何在时间上进行修复,仍然不清楚。

在毛囊(HF)中,隆突干细胞(HFSCs)通常只制造毛发,但当伤口损伤覆盖的皮肤组织时,它们会重新改变其“用途”。利用谱系追踪,研究人员监测了HFSCs在创伤修复过程中的临时作用以及表现出的干细胞可塑性。在离开它们的生态位并参与再生缺失的组织后,它们可以长期保留在新生表皮中,然后维持皮肤的屏障。通过研究转录组和表观基因组动态,并拷问这些迁移干细胞在其新的生态位中的行为,研究人员发现到这些干细胞积累了他们过去经历的离散表观遗传记忆,每一种记忆都以不同的方式影响整体组织功能。

内容

研究人员通过剥离表皮,诱使下层的HFSCs成为再生上皮的主要应答者,形成了一个主要来自毛囊衍生的、长期能自我更新的表皮。这种被改变命运的表皮干细胞(EpdSCs)在稳态下的功能和转录组方面与天然未分化的EpdSCs无法区分。然而,用测序法(ATAC-seq)检测转座酶可及性染色质发现许多位点具有更高的可及性。区别于原生EpdSCs的HF的开放染色质域有三种形式:(i)只有在适应新的表皮生态位(代偿适应)时才增加可及性的结构域,(ii)在伤口反应(伤口记忆)期间打开的结构域,以及(iii)在静止的HFSCs中已经开放的结构域(生态位起源记忆),每一个持久的表观遗传记忆都有其自身的重要性。代偿适应域使维持皮肤屏障所需的关键分化和免疫防御转录物得以在天然水平上表达。创伤记忆域启动了与炎症、细胞骨架重组和迁移有关的基因在二次伤口上诱导,从而加速愈合。生态位起源域的记忆与参与HFSC命运和WNT信号传导的基因相关,在适当的环境因素下,赋予其恢复HF命运的可塑性。

这些记忆虽然是累积的,但是各自独立不同、可分离,并且其存在依赖于过去的经历。而修复表皮损伤的天然表皮干细胞EpdSCs表现出创伤记忆,但缺少对HF生态位起源和表皮代偿适应的记忆。

结论

表观遗传记忆的概念最早是在炎症环境中被报道的。这篇文章作者发现在组织干细胞的染色质中获得并维持着额外的“记忆”,这表明干细胞可以储存来自不同经历的表观遗传记忆。通过影响干细胞对未来攻击的反应,这种记忆可以对长期组织适应能力产生有利或有害的影响,具体取决于环境。

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干细胞积累对过去经历的表观遗传记忆。

当毛囊干细胞动员起来修复受伤的皮肤表皮并作为表皮干细胞定居下来时,它们会暂时改变染色质状态。每一次环境接触都会留下一个离散的、持久的表观遗传记忆,使这些迁移干细胞能够执行新的任务,同时也会增强未来对损伤、炎症和毛发再生的反应。

 

 


 

 

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