Polycomb基因Psc和Su(z)2维持肠道干细胞身份并阻止Chinmo依赖性肿瘤发生的机制研究
主要作者及研究机构
本研究由北京生命科学研究所的袭荣文实验室主导完成。论文第一作者为魏如雪、于海梦、孙庆宇（三人共同第一作者），通讯作者为袭荣文研究员。其他作者包括张永超和于亚欣。魏如雪同时隶属于北京大学生命科学学院，于海梦和孙庆宇同时隶属于清华大学多学科生物医学研究院。该研究于2026年6月20日在线发表于*EMBO Reports*期刊（第27卷，第4433-4461页），DOI号为10.1038/s44319-026-00837-x。
研究背景与科学问题
Polycomb group（PcG）基因是表观遗传沉默因子，最初在黑腹果蝇（*Drosophila melanogaster*）中发现，其功能是通过两个主要的蛋白复合物——Polycomb抑制复合物1（PRC1）和Polycomb抑制复合物2（PRC2）——维持靶基因的转录抑制状态。PRC2负责催化组蛋白H3第27位赖氨酸（H3K27）的甲基化修饰，而PRC1则识别并结合H3K27me3，催化组蛋白H2A第118位赖氨酸的单泛素化（H2AK118ub1）。已有研究表明，PcG基因在发育过程中发挥关键作用，其功能失调与癌症密切相关。然而，PcG基因在成体多能干细胞谱系中的功能及其肿瘤抑制作用的机制仍不清晰。在果蝇中，PRC1的核心组分包括Polycomb（Pc）、Polyhomeotic（Ph）、Sex combs extra（Sce）以及Posterior sex combs（Psc）/Suppressor of zeste two（Su(z)2）。此前研究发现，在果蝇幼虫器官芽（imaginal disc）细胞和成体卵巢滤泡干细胞中，Psc和Su(z)2的缺失可导致肿瘤发生，但其他PRC1组分的缺失并不导致类似表型。这些观察提出了一个关键问题：Psc和Su(z)2的肿瘤抑制功能是否通过经典PRC1复合物介导，还是这两个基因具有独立于PRC1的非经典功能？
果蝇成体中肠上皮由驻留的肠道干细胞（intestinal stem cells, ISCs）维持更新。ISCs通过分裂产生肠母细胞（enteroblasts, EBs）或肠内分泌祖细胞（enteroendocrine progenitor cells, EEPs），后者分别分化为多倍体的肠上皮细胞（enterocytes, ECs）和二倍体的肠内分泌细胞（enteroendocrine cells, EEs）。ISCs的分化和增殖受多种信号通路精密调控，包括Notch、JAK/STAT、Wnt和EGFR/Ras/MAPK等，这些通路的失调可导致发育异常或肿瘤发生。本研究旨在探究Psc和Su(z)2在成体果蝇中肠ISCs中的功能，以及其肿瘤抑制作用的分子机制。
研究流程与实验方法
本研究采用了多层次的实验设计，系统性地解析了Psc和Su(z)2在肠道干细胞中的功能。
第一步：表型鉴定与验证 研究首先利用带有可抑制细胞标记的嵌合体分析系统（MARCM），在成体果蝇中肠中诱导产生绿色荧光蛋白（GFP）标记的psc su(z)2双突变ISCs克隆。研究使用了su(z)2xl26等位基因（精确删除了psc和su(z)2编码区）和su(z)21.b8等位基因（染色体缺失移除psc、su(z)2及若干其他基因）。同时，利用esg-gal4驱动子在肠道祖细胞中条件性敲低psc和su(z)2，并通过荧光激活细胞分选（FACS）分析细胞周期和祖细胞比例变化。免疫荧光染色检测了磷酸化组蛋白H3（PH3，有丝分裂标记物）、Prospero（Pros，EE标记物）、Pdm1（EC标记物）、Delta（Dl，ISC标记物）等蛋白表达，以及Notch活性报告子NRE-lacZ和JAK/STAT活性报告子Gas-lacZ的表达。
第二步：信号通路活性分析 为探究肿瘤细胞是否依赖经典增殖信号通路，研究检测了JAK/STAT信号报告子Gas-lacZ、EGFR/Ras/MAPK信号标记物磷酸化ERK（pERK）以及Wnt信号报告子dTCF-lacZ在突变克隆中的表达情况，并与野生型对照进行比较。
第三步：全基因组转录和染色质可及性分析 为深入理解肿瘤细胞的分子特征，研究对野生型esg-gal4, UAS-GFP中肠的GFP+细胞和psc-su(z)2−/− MARCM克隆细胞进行了FACS分选，随后进行了大量RNA测序（RNA-seq）和转座酶可及染色质测序（ATAC-seq）分析。RNA-seq鉴定了差异表达基因，ATAC-seq揭示了染色质开放区域的全局性变化。研究将两个数据集进行了整合分析，以建立染色质状态变化与基因表达改变之间的关联。此外，利用FlyAtlas 2的公共数据，对psc-su(z)2−/−肿瘤细胞与不同果蝇组织（包括脑、卵巢等）来源细胞进行了主成分分析（PCA）。
第四步：驱动基因筛选与验证 为鉴定驱动肿瘤生长的关键上调基因，研究将psc-su(z)2−/−细胞的转录组数据与已知阻断分化的Notch突变（notch55e11）和JAK/STAT突变（dome468）的祖细胞数据进行了比较转录组分析。取交集获得psc-su(z)2特异上调的转录因子后，进行了小规模RNAi筛选。筛选发现chinmo是关键效应因子，随后通过免疫染色验证了Chinmo蛋白在突变克隆中的异位表达，并在psc-su(z)2−/−克隆中敲低chinmo评估其对肿瘤生长的必要性。同时，构建了UAS-chinmo转基因品系，在肠道祖细胞中过表达Chinmo以评估其是否足以诱导增殖。
第五步：细胞起源与非经典功能分析 研究利用谱系特异性Gal4驱动子Dl-gal4（ISC特异）和Su(H)-Gbe-gal4（EB特异）分别敲低psc和su(z)2，以探究EBs是否也参与肿瘤发生。最后，为评估肿瘤抑制功能是否依赖经典PRC1，研究比较了不同PRC1核心组分突变（sce、pc、ph）的ISCs克隆表型，检测了Chinmo表达、H2AK118ub1和H3K27me3修饰水平，并对各突变体的esg+细胞进行了ATAC-seq及PCA分析。
主要研究结果
Psc-Su(z)2缺失导致小肠细胞肿瘤形成 结果显示，psc-su(z)2双突变ISCs克隆在成体后肠发育为大量密集排列、多层分布的小型二倍体细胞团（约20 μm²），呈现类似哺乳动物肠道腺瘤的肿瘤样表型。肿瘤细胞高度增殖，在生理和应激条件下PH3阳性细胞比例均显著升高。单独突变psc或su(z)2不产生此表型，而转基因回补psc或su(z)2可完全挽救该表型。esg-gal4驱动的双敲低实验导致中肠整体过度增殖，GFP+祖细胞比例从0.83%增至4.64%，S期细胞比例显著增加，证实肿瘤源于ISCs分化受阻后的持续增殖。
Psc-Su(z)2突变导致ISCs分化完全阻断 psc-su(z)2突变克隆中完全缺失Pros+的EEs和Pdm1+的ECs。同时，肿瘤细胞不表达ISC标记物Dl，Notch活性报告子NRE-lacZ也无激活信号。由于Notch信号对EC特化至关重要，其缺失可解释ECs分化障碍。然而，Notch缺失通常伴随EE分化增加，而psc-su(z)2肿瘤中EEs也完全缺失，这提示还存在其他机制导致EE分化障碍。
经典增殖信号通路未激活 令人意外的是，psc-su(z)2肿瘤细胞中JAK/STAT信号报告子Gas-lacZ无表达，pERK水平显著降低而非升高，Wnt信号报告子dTCF-lacZ也维持在基线水平。因此，psc-su(z)2缺失引发的肿瘤性过度增殖并非由Wnt、JAK/STAT或EGFR/Ras/MAPK等已知增殖通路的异常激活驱动，意味着存在其他替代机制。
染色质重塑与神经样基因表达程序激活 转录组分析发现psc-su(z)2−/−细胞中3437个基因显著上调、3690个基因下调。esg、sox21a、sox100b、cic、sc、klu等ISCs和祖细胞身份标志基因显著下调。ATAC-seq显示约3543个区域关闭、约6196个新区域开放，表明染色质整体趋向更松弛状态。整合分析显示34.7%上调基因伴随启动子区开放，33.1%下调基因伴随启动子区关闭。上调基因包括经典Polycomb靶标如Hox基因（Ubx、Abd-B、Antp）以及神经发育相关基因如chinmo和sp1。PCA分析显示psc-su(z)2−/−肿瘤细胞与神经组织来源细胞聚类更近，而非肠道上皮细胞。重要的是，经典的神经母细胞特异性基因（如dpn、mira、wor、ase、sna）未被上调，表明ISCs并未转变为神经干细胞样命运，而是获得了异常的神经祖细胞发育相关基因表达状态。
Chinmo是肿瘤生长的关键驱动因子 比较转录组学分析鉴定出119个psc-su(z)2特异上调基因，其中21个编码转录因子，16个与神经系统发育相关。RNAi筛选发现敲低chinmo可显著降低psc-su(z)2突变ISCs克隆的肿瘤发生率。免疫染色确认Chinmo在正常中肠上皮中不表达，但在psc-su(z)2−/−克隆几乎所有细胞中异位高表达。在突变克隆中表达两种chinmo RNAi转基因（thu2405和thu0574）均使克隆无法进行增殖性扩张，大多数仅含1-4个小二倍体细胞，且无凋亡迹象，细胞进入静止状态。但Chinmo敲低不足以挽救分化阻断，ECs和EEs标记物仍为阴性。相反，在肠道祖细胞中过表达Chinmo足以诱导显著的细胞增殖（PH3+细胞和GFP+祖细胞比例显著增加），但不影响Notch和JAK/STAT通路活性。这表明Chinmo是介导过度增殖的关键效应物，而非导致分化缺陷的原因。
EBs也参与肿瘤发生 利用Dl-gal4和Su(H)-Gbe-gal4分别进行ISC和EB特异性敲低psc-su(z)2，结果显示EB特异敲低足以使EBs重新进入细胞周期、阻断分化为ECs，并导致Chinmo的去抑制。这表明EBs和ISCs均可作为肿瘤起源细胞。
Psc-Su(z)2的功能独立于经典PRC1 sce、pc或ph突变均未重现psc-su(z)2的肿瘤表型。sce缺失虽完全消除H2AK118ub1修饰，但ISCs无过度增殖或分化缺陷；pc缺失仅轻微影响细胞命运平衡；ph缺失甚至导致克隆变小。Chinmo在sce、pc、ph突变克隆中均不表达。ATAC-seq PCA分析显示，仅psc-su(z)2缺失导致染色质可及性发生实质性全局变化，而pc、sce或E(z)（PRC2核心组分）的敲低对肠道祖细胞染色质景观影响甚微。
结论与科学价值
本研究揭示了Psc和Su(z)2这两个同源PcG基因在成体果蝇中肠中作为肿瘤抑制因子的非经典功能。它们通过维持ISC的组织特异性身份来发挥肿瘤抑制作用。Psc-Su(z)2缺失导致染色质结构广泛变化，使ISC身份基因转录沉默，并异位激活神经基因表达程序。由此引发的两个平行后果——Notch和JAK/STAT信号通路同时失活导致分化阻断，以及Chinmo去抑制驱动过度增殖——协同促进了肿瘤形成。研究进一步表明，这一肿瘤抑制功能并非由经典PRC1复合物介导，而是Psc和Su(z)2独立于H2AK118ub1修饰的非经典功能。该发现拓展了对PcG基因在成体组织稳态中功能的理解，为探索PcG家族成员在哺乳动物癌症中可能发挥的类似独立作用提供了新视角。
研究亮点
本研究的核心亮点包括：（1）发现Psc和Su(z)2在成体肠道干细胞中发挥肿瘤抑制功能，且其缺失不依赖于已知增殖信号通路，而是由Chinmo的异位激活驱动；（2）揭示了ISC丧失组织特异性身份、向异常神经样状态转变的分子机制；（3）提供了PcG基因可独立于经典PRC1复合物行使功能的明确证据，挑战了以往认为所有PRC1组分共同协作的认知；（4）利用ATAC-seq和RNA-seq整合分析全面描绘了染色质可及性与转录组的耦合变化；（5）将Chinmo鉴定为连接PcG缺失与肿瘤生长的关键驱动因子，鉴于人类基因组编码约50个BTB-锌指转录因子且部分在癌症中高表达，该发现可能具有跨物种的转化意义。