刘光慧研究员在染色质成像领域的又一研究突破

刘光慧，中科院生物物理所研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者，干细胞国家重大科学研究计划（973）项目首席科学家，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者，干细胞国家重大科学研究计划（973）项目首席科学家，Protein & Cell杂志副主编。刘光慧研究员的又一突破性研究成果：发现让衰老可视化的新型染色质成像工具。

2017年1月31日，Cell Research在线发表了来自中科院生物物理研究所刘光慧课题组和徐涛课题组，以及中科院动物研究所曲静课题组合作完成的一项题为"Visualization of Aging-Associated Chromatin Alterations with an Engineered TALE System" 的研究成果。这篇文章发展了一种新型基因组DNA三维成像工具，利用此工具实现了对衰老伴随的端粒缩短和着丝粒异染色质改变的精准成像。更为有趣的是，该研究发现了核仁区核糖体DNA拷贝数的减少可以作为人类衰老的新型标志物。这些成果为在遗传和表观遗传水平认识人类衰老的本质奠定了重要基础。

近年来，随着CRISPR/Cas9和TALE等新型核酸结合蛋白的发现和应用使得对基因组特定序列的精准成像成为可能。然而，目前基于CRISPR/Cas9和TALE的成像系统尚存在一定的不足。CRISPR/Cas9系统的主要问题是由于其涉及多种蛋白和RNA元件，且Cas9蛋白分子量较大，因而该系统在哺乳动物细胞中瞬时表达存在难度，同时利用该系统成像时细胞核背景噪音也较高。TALE系统虽然理论上蛋白分子量小，并且可以直接结合DNA，但就目前发表的论文而言，尤其是利用人类细胞进行的基因组成像研究中，很少使用荧光原位杂交（FISH）这一“金标准”实验对TALE的成像的精确度进行严格确证。

在该研究中，研究人员通过对传统TALE介导的端粒、着丝粒和核仁区核糖体DNA等基因组重复序列的成像结果进行细致分析，发现利用传统的TALE标记基因组重复序列时会在细胞内产生异常的聚集斑块（aggregates），且这些聚集斑块多数情况下脱离了基因组上的DNA靶序列，因而极大地限制了TALE在染色质三维成像中的应用。研究团队通过筛选一系列可提高细胞内蛋白溶解性的“助溶解多肽”，发现硫氧还蛋白（Thioredoxin）与TALE的融合表达（该融合蛋白称为TTALE）能够特异地清除TALE成像时伴生的聚集斑块，从而最大程度地释放TALE在染色质三维成像方面的效能。实验结果表明，同Cas9相比，TTALE具有成像信噪比高、易于操作等优点，可广泛应用于胚胎、诱导性多能、成体干细胞（如间充质干细胞和神经干细胞等）、终末分化细胞（如神经元和血管平滑肌细胞）、肿瘤细胞以及卵细胞等多种人类细胞类型。此外，利用该工具，研究者们首次实现了对28S核糖体DNA的活细胞标记，并揭示28S核糖体DNA主要分布于核仁区的外周，这将为理解核糖体DNA和核仁在多种生命过程中的功能提供重要的线索和研究工具。

图1：利用TTALE成像系统实时观测HeLa细胞有丝分裂过程中端粒和着丝粒的动态变化（A）；TTALE介导的28S核糖体DNA在细胞核仁区的精准成像（B）。

人类衰老和许多衰老相关的疾病都伴随着染色质结构的改变或异常，因此探索染色质结构的动态变化对于深入理解衰老及衰老性疾病的机制具有重要的意义。基因组重复序列是隐含在人类基因组中的“暗物质”，通常被包裹在致密的异染质中，并且被认为是无用的“垃圾序列”。由于研究手段的限制，在现有的大多数基因组信息分析中，这些“垃圾序列”往往会被主观地“忽略”掉。人们所熟知的端粒其实也是一种基因组重复序列，而端粒的缩短已经成为衰老研究领域中为数不多的重要分子标记物之一。尽管如此，对于衰老是否伴随更为广泛的基因组重复序列的改变，目前人们还知之甚少。利用TTALE成像系统，研究团队发现核仁区核糖体DNA拷贝数的减少可能是人类衰老的生物钟之一。人类衰老所伴随的核仁区核糖体DNA拷贝数的减少同端粒的缩短同样显著，并且可以方便地在老年人的外周血中检测到，因此可以用作评价人类衰老进程的新型分子标志物。此外，研究人员也利用TTALE系统在培养皿中观测到了细胞衰老伴随的端粒缩短和着丝粒异染色质失序等基因组结构的变化，并且首次在体内单细胞水平观察到了端粒酶缺失小鼠的端粒加速缩短现象。

这些发现为揭示人类染色质三维结构及其动态变化在衰老和疾病中的作用提供了强有力的研究工具。此外，全新人类衰老分子标志物的确立也将为衰老的基础和转化研究提供助力。（来源：BioArt）

图2：TTALE成像系统可用于精准观测衰老伴随的端粒缩短、核仁区核糖体DNA拷贝数的减少，以及着丝粒异染色质去致密化等染色质结构的改变。

图3 Precise labeling of centromeres with TTALEs. (A) Schematic illustration of TALEs fused with various solubility-enhancing peptides (X) to label centromeres. (B) Co-localization analysis of centromeric FISH (red) and Flag-TALEcentro (green) fused with the indicated peptides in HeLa cells. Engineered TALEcentro was visualized by immunostaining with anti-Flag antibody. Representative images show precise co-localization of centromeric FISH (red) and TRX-fused TALEcentro (TTALEcentro) signals. Dashed lines indicate the nuclear boundary. Scale bars, 5 μm. (C) Histograms showing numbers of centromeric FISH- and peptide-fused TALEcentro(19 bp)-positive dots in nuclei of HeLa cells. n = 50 nuclei per group.

刘光慧研究员简介：

实验室网址：

刘光慧，中科院生物物理所研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者，干细胞国家重大科学研究计划（973）项目首席科学家，Protein & Cell杂志副主编。

一，学习和工作经历

1997-2002，北京大学医学部，药理学学士；2002-2007，中国科学院生物物理研究所，理学博士；2007-2009，美国斯克利普斯（Scripps）研究所，Research associate；2009-2011，美国索尔克（Salk）生物学研究所，Research associate；2011至今，中科院生物物理所，研究员、博士生导师；2012，国家青年千人计划

二，研究方向

1. 基于多能干细胞的人类疾病模型和精准治疗体系

利用患者诱导性多能干细胞（iPSC）和体外创建的“疾病”胚胎干细胞（ESC），结合定向分化和细胞移植技术，在功能基因组水平研究人类疾病的分子机理及新型靶标；发展基于干细胞技术的药物筛选和评价体系；探索结合自体干细胞和基因靶向编辑进行个体化治疗的可行性。

2. 人类健康长寿的（表观）遗传信息解码

结合干细胞和基因组编辑技术，研究人类衰老（如脑衰老）和老年病（如神经退行性疾病）的细胞分子机理和（表观）遗传学基础，探索延缓衰老和防治老年病的方法和手段，以期实现“健康长寿（healthy aging）”的梦想。

三，学术任职

中国老年医学学会基础与转化医学分会副会长、中国老年学会衰老与抗衰老科学委员会副主任委员、中国细胞生物学学会干细胞生物学分会委员、中国医促会出生缺陷精准医学分会委员、中国生物物理学会理事、Protein & Cell杂志副主编

四，代表性论文

1. Liu GH, Barkho BZ, Ruiz S, Diep D, Qu J, Yang SL, Panopoulos AD, Suzuki K, Kurian L, Walsh C, Thompson J, Boue S, Fung HL, Sancho-Martinez I, Zhang K, III JY, Belmonte JC. Recapitulation of premature ageing with iPSCs from Hutchinson-Gilford progeriasyndrome. Nature. 2011; 14;472: 221-5.

Highlighted by “Faculty of 1000” ()

2. Liu GH*, Suzuki K*, Qu J*, Sancho-Martinez I, Yi F, Li M, Kumar S, Nivet E, Kim J, Soligalla RD, Dubova I, Goebl A, Plongthongkum N, Fung HL, Zhang K, LoringJ,Laurent L, and Belmonte JC. Targeted gene correction of laminopathy-associated LMNA mutations in patient-specific iPSCs.Cell Stem Cell. 2011; 8(6):688-94. (*equal contribution)

Highlighted by Nature (Nature 474,8. doi:10.1038/474008c)

Highlighted by Cell Stem Cell (Cell Stem Cell 9, 2: 93-94)

3. Li M*, Liu GH*, Belmonte JC. Navigating the epigenetic landscape of pluripotent stem cells. Nat Rev Mol Cell Biol.2012; 13:524-35. (*equal contribution)

4. Liu GH#, Qu J, Suzuki K, Nivet E, Li M, Montserrat N, Yi F, Xu X, Ruiz S, Zhang W, Ren B, Wagner U, Kim A, Li Y, Goebl A, Kim J, Soligalla R, Dubova I, Thompson J, Yates J III, Esteban C, Sancho-Martinez I, Belmonte JC#. Progressive degeneration of human neural stem cells caused by pathogenic LRRK2. Nature. 2012; 491:603-7. (#Corresponding author)

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5. Liu GH#, Ding Z, Izpisua Belmonte JC#. iPSC technology to study human aging and aging-related disorders. CurrOpin Cell Biol. 2012; 24:765-74. (#Corresponding author)

6. Giorgetti A, Marchetto MC, Li M, Yu D, Fazzina R, Mu Y, Adamo A, Paramonov I, Cardoso JC, Monasterio MB, Bardy C, Cassiani-Ingoni R, Liu GH, Gage FH, Izpisua Belmonte JC. Cord blood-derived neuronal cells by ectopic expression of Sox2 and c-Myc. ProcNatlAcadSci U S A. 2012; 109(31):12556-61.

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8. Zhang WQ, Qu J, Suzuki K, Liu GH#, Belmonte JC#.Concealing cellular defects in pluripotent stem cells. Trends Cell Biol. 2013. 23(12):587-92. (#Corresponding author)

9. Pan H, Cai N, Li M, Liu GH#, Izpisua Belmonte JC#. Autophagic control of cell stemness. EMBO Mol. Med. 2013. 5:327-31. (#Corresponding author)

10. Guan D, Zhang W, Zhang W, Liu GH#, Belmonte JC#. Switching cell fate, ncRNAs coming to play. Cell Death Dis. 2013. 4:e464.(#Corresponding author)

11. Yang J, Cai N, Yi F, Liu GH#, Qu J#, Belmonte JC#. Gating pluripotency via nuclear pores. Trends Mol Med. 2014. Jan; 20(1):1-7.(#Corresponding author)

Cover story in Trends Mol Med (CELL PRESS) 2014, issue 1

12. Wu K, Ren R, Su W, Wen Bo, Zhang Yuying, Yi Fei, Qiao X, Yuan T, Wang J, Liu L, Belmonte JC#, Liu GH#, Chen C#. A novel suppressive effect of alcohol dehydrogenase 5 in neuronal differentiation. J Biol Chem. 2014. 289(29):20193-9. (#Corresponding author)

13. Liu GH#, Suzuki K, Li M, Qu J, Montserrat N, Tarantino C, Gu Y, Yi F, Xu X, Zhang W, Ruiz S, Plongthongkum N, Zhang K, Masuda S, Nivet E, Tsunekawa Y, Soligalla R, Goebl A, Aizawa E, Kim N, Kim J, Dubova I, Li Y, Ren R, Benner C, del Sol A, Bueren J, Trujillo J, Surralles J, Esteban C, Izpisua Belmonte JC#. Modeling Fanconi Anemia pathogenesis and therapeutics using integration-free patient iPSCs.Nat Commun. 2014. 7;5:4330. (#Corresponding author)

14. Suzuki K, Yu C, Qu J, Li M, Yao X, Yuan T, Goebl A, Tang S, Ren R, Aizawa E, Zhang F, Xu X, Soligalla R, Chen F, Kim J, Kim NY, Liao HK, Benner C, Esteban CR, Jin Y, Liu GH#, Li Y#, Belmonte JC#. Targeted gene correction in human disease-specific induced pluripotent stem cells minimally impacts whole-genome mutational load. Cell Stem Cell. 2014; 15, 31–36. (#Corresponding author)

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15. Reddy P, Ocampo A, Suzuki K, Luo J, Bacman SR, Williams SL, Sugawara A, Okamura D, Tsunekawa Y, Wu J, Lam D, Xiong X, Montserrat N, Esteban CR, Liu GH, Sancho-Martinez I, Manau D, Civico S, Cardellach F, Del Mar O'Callaghan M, Campistol J, Zhao H, Campistol JM, Moraes CT, Izpisua Belmonte JC.Selective Elimination of Mitochondrial Mutations in the Germline by Genome Editing. Cell. 2015; 161:459-469

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Highlightedby The Scientist

16. Zhang W, Li J, Suzuki K, Qu J, Wang P, Zhou J, Liu X, Ren R, Xu X, Ocampo A, Yuan T, Yang J, Li Y, Shi L, Guan D, Pan H, Duan S, Ding Z, Li M, Yi F, Bai R, Wang Y, Chen C, Yang F, Li X, Wang Z, Aizawa E, Goebl A, Soligalla RD, Reddy P, Esteban CR, Tang F#, Liu GH#, Belmonte JC#. A Werner syndrome stem cell model unveils heterochromatin alterations as a driver of human aging. Science. 2015; 348(6239):1160-3.(#Corresponding author)

Highlighted by Science (Science|5 JUNE 2015 VOL 348 ISSUE 6239)

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17. Duan S, Yuan G, Liu X, Ren R, Li J, Zhang W, Wu J,Xu X, Fu L, Li Y, Yang J, Zhang W, Bai R, Yi F, Suzuki K, Gao H, Esteban CR, Zhang C, Belmonte JC, Chen Z, Wang X,Jiang T, Qu J#,Tang F#, Liu GH#. PTENdeficiency reprograms human neuralstem cells towards a glioblastoma stem cell-like phenotype. Nat Commun. 2015. 6:10068. (#Corresponding author)

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19．Guo J, Fang W, Sun L, Lu Y, Dou L, Huang X, Sun M, Qu J#, Liu GH#, Li J#. Reduced miR-200b and miR-200c expression contributes to abnormal hepatic lipid accumulation by stimulating JUN expression and activating the tranion of srebp1. Oncotarget. 2016. doi: 10.18632/oncotarget.9183. (#Corresponding author)

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Highlighted by Cell (DOI: )

22.Suzuki K, Tsunekawa Y, Hernandez-Benitez R, Wu J, Zhu J, Kim EJ, Hatanaka F, Yamamoto M, Araoka T, Li Z, Kurita M, Hishida T, Li M, Aizawa E, Guo S, Chen S, Goebl A, Soligalla RD, Qu J, Jiang T, Fu X, Jafari M, Esteban CR, Berggren WT, Lajara J, Nu?ez-Delicado E, Guillen P, Campistol JM, Matsuzaki F, Liu GH, Magistretti P, Zhang K, Callaway EM, Zhang K, Belmonte JC. Nature. 2016 Dec 1;540(7631):144-149. doi: 10.1038/nature20565.

23.Ruotong Ren, Liping Deng, Yanhong Xue, Keiichiro Suzuki, Weiqi Zhang, Yang Yu, Jun Wu, Liang Sun, Xiaojun Gong, Huiqin Luan, Fan Yang, Zhenyu Ju, Xiaoqing Ren, Si Wang, Hong Tang, Lingling Geng, Weizhou Zhang, Jian Li, Jie Qiao, Tao Xu, Jing Qu & Guang-Hui Liu..Cell Research advance online publication 31 January 2017; doi: 10.1038/cr.2017.18

Book chapter：

Liu GH#, Yang J, Ding Z, Ocampo A, Qu J, Suzuki K, Izpisua Belmonte JC#. Chapter: iPSC disease modeling of laminopathies. Human iPS Cells in Disease Modeling (Springer), 2016, pp 53-67 (#Corresponding author)

（来源：BioArt）