细胞重编程（将已分化的体细胞逆转为诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cell, iPSC））利用过表达转录因子或使用化学小分子组合等策略实现细胞命运转换，在疾病模型、药物筛选和再生医学中具有广泛应用前景。2023年8月7日，浙江大学生命科学研究院祝赛勇教授团队在Nature Cell Biology发表题为A fast chemical reprogramming system promotes cell identity transition through a diapause-like state的文章，研究人员通过大规模的化学分子筛选，建立了快速化学重编程系统（FCR），其快速的动力学和高效率大大加快了细胞重编程的过程，为细胞重编程全面特征和分子机制提供了独特见解。

研究思路

主要结果

1.确定关键分子，构建高效快速的FCR系统

研究人员利用大规模的化学筛选方法确定了一系列有效分子，通过调整有效小分子的浓度和处理时间，建立了快速化学重编程（FCR）系统。其中，关键多能性基因Oct4在重编程第7天就已经被激活，进一步说明了FCR的快速性。通过细胞、分子和功能实验证明经过12天FCR产生的iPSC细胞在形态、分子和功能上与小鼠胚胎干细胞相似，表明FCR平台成功重编程。

2.多组学测序探究FCR过程中关键分子机制

2.1 ATAC-seq预测胚外内胚层相关的TFs

间充质向上皮转化(MET)和胚外内胚层(XEN)状态已被证明是CR过程中的关键状态。研究人员发现FCR与转录因子重编程（TFR）都会经历这两种状态，但在重编程路径上有明显差别，ATAC-seq组学预测胚外内胚层相关的TFs(Sox17、Gata4、Gata6和Foxa2)导致了两个重编程体系的路径差异。

2.2 RNA-seq显示FCR会经历一个独特的滞育类状态

选取了8个关键时间点的样本：0天、2天、4天、6天、8天、10天、12天、产生的iPSC cell。研究人员对比不同时间点不同重编程系统的转录组数据发现：FCR后期显著下调了核糖体、剪切体、DNA复制相关基因，但在TFR过程中并无此现象。这一结果揭示了FCR重编程后期会经历一个独特的滞育类状态。

2.3滞育类状态是FCR过程中一个重要的中间态

考虑到细胞异质性，研究人员选取5个时间点样本：0天、4天、8天、12天、iPSC cell进行scRNA-seq分析，FCR依次会经历成纤维细胞、上皮样细胞、中间态细胞、新生iPSC和iPSC阶段，且scRNA-seq功能通路数据与RNA-seq结果一致，滞育相关基因在FCR后期细胞呈现明显下调。敲低促进细胞进入滞育状态的关键基因Larp1、Slc17a5、Prkaa1发现抑制滞育类状态会导致FCR效率降低，说明滞育类状态是FCR过程中一个重要的中间态。

2.4 ATAC+CUT&Tag证明H3K9me3通过抑制iPSC相关的ERVs影响FCR进程

选取了8个关键时间点的样本：0天、2天、4天、6天、8天、10天、12天、产生的iPSC cell，通过ATAC-seq&CUT&Tag多组学分析显示：染色质可及性区域大部分在FCR过程中呈现高度动态，即使在FCR后期的滞育类状态，且伴随着不同组蛋白修饰的动态变化。

H3K9me3作为异染色质区域的标志性沉默修饰，此前多次被证实在干细胞中可以调控ERVs。而在FCR过程中，ERVs的表达模式也呈现从MEF向iPSC的动态变化，说明了ERVs可能也会参与并影响重编程过程。该研究筛选了24个受H3K9me3调控的iPSC相关的ERVs（经典Oct4-Sox2-Tcf-Nanog TF基序）。敲低和小分子抑制实验证明H3K9me3甲基转移酶的抑制可以促进FCR进程；而敲低iPSC相关ERVs相关靶蛋白会导致FCR效率降低。这些结果说明H3K9me3通过抑制iPSC相关的ERVs从而作为FCR的障碍。

结论

本篇研究发明的FCR化学重编程系统独特地过渡到滞育类状态，快速完成细胞的“返老还童”。更有趣的是，异染色质修饰蛋白H3K9me3在FCR过程中通过调控iPSC相关的ERVs的表达，参与了细胞转录组和表观遗传组的重塑，从而推动了细胞命运转换。这一研究结果完善了细胞重编程机制以及在干细胞研究和再生医学方面具有广泛的应用前景。