撰文
雪月
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Qi
胚胎干细胞可以产生成年个体所需的所有细胞，此种发育的可塑性与基因组低甲基化有关。细胞受精后，基因组脱甲基化，为胚胎发育建立基础。DNA甲基化发生在胞嘧啶5号碳位上，由DNA甲基化转移酶介导催化（DNAmethyltransferasesDnmts）。TET（Ten-eleventranslocationproteins）可以催化5甲基胞嘧啶（methylationoccursoncarbon5ofcytosine5mC）为5羟甲基胞嘧啶（h5mC）。Dnmts和Tets在早期发育过程中动态表达，在E3.5胚胎局部DNA甲基化水平最低。这种单基因表达可以严格控制胚胎发育的模式至关重要。但是在胚胎发育早期Dnmts和Tets的表达如何调控尚不清楚。在胚胎中，JAK-STAT途径从E2.5和E3.5开始活跃，STAT3可以作为Dnmt和Tet表达的调节剂。小鼠ESC需要LIF（JAK-STAT途径配体）联合激酶GSK3和MEK抑制剂（2iLIF条件）才能获得基因组低甲基化状态。而LIF在血清存在条件下（血清LIF条件）不足以诱导基因组低甲基化。其中STAT3是否也参与了LIF诱导的基因组低甲基化还未知。STAT3是基因组表观调控的理想调节剂，它既可以调节细胞核中基因表达，又可以调节细胞代谢。
近日，来自意大利Padua大学的GrazianoMartello团队在NatureGenetics杂志上发表题为MetaboliccontrolofDNAmethylationinnavepluripotentcells的文章。本研究探究了STAT3在ESC基因组甲基化中的调控作用。作者发现LIF-STAT3可以通过代谢重编程诱导基因组低甲基化。
作者首先验证两种条件下的ESC5mC水平，2iLIF的5mC水平确实明显低于LIF条件下的水平。相较于对照组细胞，STAT3-/-ESC在2iLIF条件下的5mC水平明显较高。质谱和简并代表性亚硫酸氢盐测序技术（ReducedRepresentationBisulfiteSequencingRRBS）都验证了这一结果。这一结果表明LIF-STAT3结合与两种抑制剂才能有效降低基因组甲基化水平。进一步分析发现在2iLIF培养条件下对照组ESC细胞的Dnmt3a/b表达明显低于STAT3-/-ESC，Tet2表达在对照组中则明显增加。于是作者构建了Dnmt3aKO、Dnmt3bKO和双敲除ESC。作者发现单敲除细胞只有部分DNA甲基化降低，而双敲除细胞在2i培养条件下显示出低DNA甲基化水平。在野生型ESC中过表达Dnmt3a/b则会导致在2iLIF培养条件下DNA甲基化水平升高。对于Tet在甲基化中的作用，作者发现双敲除Tet1/2不会引起5mC水平发生变化，这与先前的报道一致。
接下来作者利用RRBS分析对比了STAT3-/-和对照组细胞中差异化甲基化位点，确立了个差异化甲基化位点。作者又利用H3K4me3和H3K27acCHIP-seq来鉴定ESC细胞中的启动子和增强子。再结合与STAT3-/-和对照组细胞的转录组数据，作者发现STAT3对ESC转录组的影响与5mC变化图谱有重叠。启动子甲基化增加与20.7%（67/）的基因表达下调有关，与8%（26/）基因表达上调有关。而在增强子中，重叠比例分别为13.8％（86/）和6.7％（42/）。作者又利用2i和2iLIF培养的对照组细胞进行了同样的分析，发现缺少了LIF对于ESC转录组的影响也与5mC变化图谱有重叠。
作者发现STAT3并不能直接调控Dnmt3a/b的表达，核定位的STAT3也不能调控ESC的DNA甲基化水平。于是作者开始检测LIF-STAT3是否通过影响线粒体活性从而控制5mC水平。作者用呼吸链抑制剂处理WT细胞降低OXPHOS，发现5mC水平明显增加。而在Dnmt3a/b双敲除细胞中，呼吸链抑制剂却不能明显增加5mC水平。在STAT3-/-细胞中过表达针对线粒体的两个STAT3克隆能够明显增加OXPHOS水平，并降低5mC水平。检测细胞代谢物变化发现α-酮戊二酸水平在细胞STAT3-/-明显降低，在线粒体STAT3过表达的细胞中αKG水平则得到恢复。而追溯发现STAT3-/-细胞中的谷氨酰胺还原途径受损，导致αKG水平下降。而如果给予细胞外源性αKG则能够降低5mC水平。
作者接下来开始探索αKG是如何影响细胞基因组甲基化水平。最近有研究发现Dnmt3a/b表达与αKG水平呈负相关。作者也验证了这一结论。作者从已发表的转录组数据中筛选出了两种正向调控Dnmt3a/b的分子Otx2和Sox1，六种抑制其表达的分子(Klf4,Nanog,Prdm14,Tbx3,Tcea3Tcl1)。在STAT3-/-细胞中检测发现两种正向调控的分子表达明显增加，而Klf4和Tbx3、Tcl1则表达下降。而给予STAT3-/-细胞αKG处理，只有Otx2表达发生明显变化。利用Otx2敲除的ESC作者验证了Otx2能够被LIF-STAT3抑制，而Otx2对于ESC中的Dnmt3a/b表达是必需的。
功能方面发现线粒体STAT3能够抑制ESC早期分化标志物表达，推迟ESC分化。而STAT3在早期小鼠胚胎中，作者验证了STAT3可以调控Otx2表达，从而抑制靶基因Dnmt3a/b表达，从而调控植入前胚泡转录谱，改变发育进程。
本研究揭示了线粒体STAT3可以促进OXPHOS和αKG产生，促进基因组甲基化水平降低，抑制ESC早期分化。作者也指出在多种类型的肿瘤中存在STAT3过度激活和异常DNA甲基化现象，作者认为他们研究发现的这种调控模式或许在肿瘤中被异常利用。
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