胚胎干细胞（embryonic stem cells, ESCs）具有自我更新、多向分化潜能以及较高的基因组稳定性特征，可为再生医学提供种子细胞，同时也是发育生物学研究的重要细胞模型。维持高水平的核糖体发生（ribosome biogenesis, RiBi）是干细胞维持其身份特征的关键生物学基础，而该过程始于RNA聚合酶I介导的核糖体RNA（rRNA）基因转录。在胚胎干细胞中，rDNA位点呈现高度活化的染色质状态——表现为DNA低甲基化及H3K9me2/3、H3K27me3等抑制性组蛋白修饰水平低下——以保证高效的rRNA转录和核糖体发生。然而，胚胎干细胞如何建立并维持这一高度活化的核仁染色质状态以保持干细胞身份，其分子机制尚不完全清楚。

近日，中国科学院昆明动物研究所郑萍团队在PLOS Biology期刊在线发表了题为Tcf15 promotes an open nucleolar chromatin state to safeguard ribosome biogenesis and genome stability in mouse embryonic stem cells的研究论文。该研究首次揭示了转录因子Tcf15在胚胎干细胞核仁中的新功能——通过独立招募Tet2和Rbbp5两种表观调控因子至rDNA区域，维持rDNA位点的染色质开放状态，进而保障高水平的核糖体发生与基因组稳定性。

研究团队通过CRISPR/Cas9筛选发现Tcf15是基因组稳定性的潜在调控因子。进一步研究表明，Tcf15定位于核仁，并特异性结合rRNA基因的18S和28S编码区。借助TurboID邻近标记联合质谱分析，团队鉴定出Tcf15的两个关键互作蛋白——Tet2和Rbbp5。免疫共沉淀证实Tcf15分别与二者独立结合。Tcf15敲低后，Tet2和Rbbp5在rDNA区域的结合显著减少。

功能研究表明，Tcf15通过两条平行通路维持rDNA染色质开放：一方面，Tcf15–Rbbp5轴促进H3K4me3沉积，拮抗PRC2介导的H3K27me3修饰；另一方面，Tcf15-Tet2轴则维持rDNA低甲基化。Tcf15缺失后，rDNA区域H3K27me3和DNA甲基化水平显著升高，H3K4me3水平下降。值得注意的是，两条通路功能并不冗余：Tcf15-Rbbp5轴直接驱动rRNA转录与核糖体发生，敲低Tcf15或Rbbp5，47S前体rRNA及成熟rRNA水平下降约50%，核糖体亚基及多聚核糖体含量显著降低；而Tcf15-Tet2轴对rRNA转录无明显影响，提示其可能参与核仁的非经典功能。

进一步的分析表明，Tcf15敲低虽然不影响拟胚体形成率，但是会降低多能性基因（Pou5f1、Klf4）的翻译水平，削弱了拟胚体的大小。更为关键的是，Tcf15敲低引发了严重的基因组不稳定，表现为DNA损伤标记γH2AX累积、双链断裂增多、微核增加及非整倍体比例上升等表型。

如何导致基因组不稳定？联合RNA-seq与Ribo-seq分析发现，Tcf15缺失几乎不改变整体基因转录谱、也未导致蛋白质合成的全面下降，而是选择性重编程翻译谱——819个基因翻译效率显著下调，富集于RNA剪接、DNA复制与修复等功能通路，其中181个为胚胎干细胞高表达蛋白，涵盖Mcm2/3/6、Parp1、Fen1、Khdc3及Klf4、Pou5f1等关键因子。该翻译缺陷直接导致DNA复制叉恢复能力、复制压力信号与双链损伤信号转导严重受损。

该研究首次建立“核仁染色质状态—核糖体生物合成—选择性翻译调控—基因组稳定性”完整分子通路，揭示了胚胎干细胞rDNA染色质开放状态维持的新机制，加深了对胚胎干细维持高水平核糖体库意义的理解。

昆明动物所博士研究生董玉萍为论文第一作者，昆明动物所研究员郑萍、副研究员王林与上海药物研究所研究员周虎为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划（2021YFA1102000）、国家自然科学基金（32400664）、云南省基础研究计划（202401AW070009）、云南省兴滇英才支持计划青年人才项目、中国科学院“西部之光”人才培养计划等项目的资助。此项成果为理解胚胎干细胞长期培养中基因组不稳定的发生机制提供了新的视角，也为优化干细胞培养条件、降低基因组变异积累提供了潜在的理论指导。

文章链接：https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3003954

图1.Tcf15通过维持核仁染色质开放保护胚胎干细胞基因组稳定性的工作模式图