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编辑丨王多鱼
排版丨水成文
定型内胚层(definitive endoderm,DE)是原肠胚形成期三个主要胚层之一,也是胃肠道、呼吸系统及肝、胰、甲状腺等器官的前体,其体外衍生细胞对再生医学、疾病建模和药物筛选具有重要价值。尽管 SOX17、FOXA2 等核心转录因子及 Nodal/Activin、Wnt/β-catenin 等通路已被确立为 DE 命运决定的关键驱动因素,但转录程序如何与信号转导、代谢和表观遗传调控协同以确保 DE 谱系忠实性,尤其如何抑制神经外胚层等谱系的异常特化,仍缺乏完整机制阐释。
周期蛋白依赖性激酶-8(CDK8)作为 Mediator 复合物激酶模块的转录调控因子,已被证实在内胚层衍生组织中调控肠道分化与稳态、胰腺β细胞功能及肝祖细胞分化,其激酶域新发突变还与胃食管反流病等内胚层病理相关。此外,CDK8 还调控糖酵解、氧化磷酸化、mTOR 信号和脂质代谢等通路,提示其可能整合代谢与转录程序。然而,CDK8 在 DE 命运决定中的功能及其是否通过转录调控和代谢通路发挥作用,目前仍缺乏系统研究。
近日,西南医科大学附属医院谢皇帆、谢冰清、江涌作为共同通讯作者(先春梅、黄安、宝钲为论文共同第一作者),在Cell Death & Disease期刊发表了题为:CDK8 regulates definitive endoderm commitment through cAMP-lysosomal homeostasis and neuroectodermal suppression 的研究论文。
该研究鉴定了CDK8为人多能干细胞(hPSC)向定型内胚层(DE)命运决定的关键调控因子,并进一步阐明其通过协调转录调控、表观遗传修饰与细胞代谢稳态,抑制神经外胚层转录程序,从而促进 DE 分化的分子机制。
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研究团队首先建立了 hPSC 向 DE 分化的逐步诱导体系,发现药物抑制或遗传敲除 CDK8 均显著降低 SOX17⁺CXCR4⁺ DE 细胞比例,并抑制 DE 转录程序;CDK8 缺失的 DE 进一步丧失肝分化潜能,肝细胞标志基因及尿素合成能力显著下降。多种 CDK8 抑制剂及另一株 hPSC 系均重现该表型,表明该缺陷主要由 CDK8 功能受损介导。CDK8 由此被定位为 hPSC 获得 DE 命运的关键调控因子。
进一步的转录组分析显示,CDK8 功能缺失引起谱系程序整体重塑:DE 及溶酶体相关基因表达下调,神经外胚层及 cAMP 相关基因程序异常激活。这提示 CDK8 缺失可能通过改变细胞内信号与代谢稳态,使细胞由 DE 命运偏向神经外胚层特化命运。
机制性干预表明,抑制 EPAC 依赖的 cAMP 通路(添加ESI-09)可部分挽救 CDK8 缺失造成的 DE 分化缺陷,而 EPAC 激活(添加8-cAMP)进一步抑制 DE 形成;同时,CDK8 缺失伴随溶酶体程序下降及酸化受损,增强溶酶体酸化(添加 HEPES)可改善该表型。上述结果将 cAMP-EPAC 异常与溶酶体功能受损确立为连接 CDK8 缺失与 DE 分化障碍的重要功能环节。
为解析 CDK8 如何连接转录调控与上述信号、代谢变化,研究进一步结合 CUT&Tag、BETA 及 H3K27me3 分析,发现 CDK8 直接关联并调控内胚层、溶酶体、TGF-β、神经外胚层及 cAMP 相关靶基因,伴随启动子邻近区域 H3K27me3 沉积变化,表明 CDK8 缺失所致的 DE 分化障碍与表观遗传重塑密切相关。LISA 分析进一步筛选出 FOSL2、HNF4A 和 FOXH1 作为关键候选节点,干预这些因子可显著影响 DE 分化并改善缺失表型,从而将 CDK8 的染色质调控连接至具体谱系转录网络。
在此基础上,研究团队进一步揭示 CDK8 与 OTX2 之间存在功能协同关系。OTX2 过表达可补偿 CDK8 缺失所致的DE分化缺陷,FOSL2、HNF4A 或 FOXH1 过表达亦可改善相应表型,提示二者共同维持 DE 命运决定相关的下游转录程序。FOSL2/HNF4A/FOXH1 构成连接上游转录调控与下游 cAMP-溶酶体稳态的候选网络,其中 FOXH1 可能作为关键效应节点。
综上所述,这项研究确立了由 CDK8 与 OTX2 共同参与的 DE 命运决定机制:二者协同调控 FOSL2/HNF4A/FOXH1 网络,并通过 cAMP-EPAC 信号及溶酶体酸化维持 DE 命运决定所需的细胞内稳态。CDK8 功能缺失可导致 DE 及溶酶体程序下调、cAMP 及神经外胚层程序异常激活,从而阻碍 DE 分化并促进神经外胚层错误特化。
由此,该研究将 CDK8 界定为连接表观遗传调控与细胞内信号、代谢稳态及谱系命运决定的关键枢纽,为理解 hPSC 谱系分化中转录调控与细胞状态的耦联提供了新的理论依据。
论文连接:
https://www.nature.com/articles/s41419-026-09273-0
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