《Journal of Biological Chemistry》：Topologically Associating Domains Define the 3D Genome Architecture of Mouse Totipotent-like Stem Cells
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本研究针对全能性分子机制不清的难题，系统解析了ciTotiSCs和TBLCs两种小鼠全能样干细胞模型的三维基因组架构。通过高分辨率Hi-C技术发现，尽管拓扑关联域(TADs)整体保守，但其结构强度在获得全能性时显著减弱。整合表观基因组分析表明，多能性基因位点经历协同的表观景观重塑和三维接触重组，共同驱动多能性沉默。该研究首次在三维基因组层面为全能性模型建立评估框架，为通过三维基因组折叠建立全能性提供了新见解。
在生命科学领域，全能性（totipotency）作为受精后出现的第一个细胞命运，始终蒙着神秘的面纱。与多能性（pluripotency）细胞只能分化为胚胎组织不同，全能细胞具有发育成完整个体的潜能，包括胚胎和胚外组织。然而，由于实验材料的稀缺和技术限制，科学家对全能性的分子机制，特别是三维基因组层面的调控规律知之甚少。
近年来，研究人员成功建立了两种小鼠全能样干细胞模型：化学诱导全能干细胞（ciTotiSCs）和全能卵裂球样细胞（TBLCs）。这些模型为研究全能性提供了重要窗口，但它们在三维基因组架构上是否真正重现了体内全能细胞的特征，仍是一个悬而未决的问题。与此同时，研究表明二维胚胎缺乏明确的三维基因组结构，而内细胞团（ICM）则已建立完整的拓扑关联域（TADs）组织，这一时空进程为研究TAD生物发生及其与细胞命运决定的功能耦合提供了独特的发育模型。
在这项发表于《Journal of Biological Chemistry》的研究中，研究人员首次对ciTotiSCs和TBLCs进行了高分辨率三维基因组架构解析，揭示了全能性获得过程中三维基因组的重组规律。
研究团队运用了多项关键技术：高分辨率Hi-C技术用于三维基因组架构分析，CUT&Tag技术用于组蛋白修饰检测，ATAC-seq用于染色质可及性分析，RNA-seq用于转录组表征，以及ChromHMM用于染色质状态分割。所有实验均使用小鼠胚胎干细胞（ESCs）及其衍生的ciTotiSCs和TBLCs作为研究对象。
3D genome architecture of two mouse 2CLCs
研究人员首先验证了两种模型的转录组特征，确认它们都重新激活了2细胞期胚胎特有的基因表达程序。通过高分辨率Hi-C分析发现，与早期2细胞胚胎缺乏明显区室和TADs不同，ciTotiSCs和TBLCs都显示出明确的三维基因组结构，且大部分特征与ICM/ESCs相似。这表明作为整体群体，这两种模型在很大程度上保留了多能性的三维基因组框架。
A/B compartment switching during pluripotent to totipotent transition
在区室组织层面，研究发现虽然早期2细胞胚胎的区室分离不明显，但ciTotiSCs和TBLCs都显示出与ESCs相似的染色质区室化。值得注意的是，在染色质末端区域观察到明显的区室分布差异，这些区域包含着丝粒和近着丝粒区域，可能在早期胚胎发生中调节高级基因组组织。
Reprogramming dynamics of TADs
对TAD的深入分析显示，约75%的TAD在三种细胞类型中保持不变，但TAD强度在TBLCs和ciTotiSCs中显著减弱。这种TAD松弛现象发生在全能性和多能性基因集中，表明其不是多能性向全能性转变的专属驱动因素。
3D rewiring of pluripotency loci
表观遗传分析发现，多能性基因相关的TAD在向全能性转变过程中，活性染色质片段减少而抑制性片段增加。这种表观遗传重塑伴随着TAD的结构松弛，导致基因与活性调控元件的局部接触减少。
Epigenetic remodeling on totipotency loci
对全能性基因位点的研究表明，这些区域经历了表观遗传重编程，表现为活性表观标记显著增加和染色质可及性增强。然而，由于全能性相关基因组区域的高度重复性，这些位点的三维基因组重组难以评估。
Chromatin Landscape Comparison of ciTotiSCs and TBLCs
比较分析显示，虽然两种模型在多能性基因位点都表现出相似的TAD松弛程度，但ciTotiSCs经历了更广泛的表观遗传重塑，这可能是其能更有效沉默多能性标记的原因。
Dynamics of ultra-long-range- and trans-contacts
在全基因组层面，研究发现<1Mb的接触在向全能性转变过程中增加，而>5Mb的超长程接触和转接触减少，表明全能状态具有更低的全局染色质压缩。
这项研究首次在三维基因组层面对全能性模型进行了系统评估，建立了连接基因组结构与全能性-多能性转变的功能框架。研究发现，尽管ciTotiSCs和TBLCs在很大程度上保留了多能性的三维基因组框架，但它们都表现出明显的TAD松弛，这种三维基因组的重组与体内全能性细胞的特征相符。更重要的是，研究揭示了多能性基因位点通过三维基因组重组和表观遗传重塑的双重调控机制实现沉默，而全能性基因则主要通过表观遗传重编程激活。
该研究的创新之处在于将三维基因组架构作为评估体外全能性模型的新标准，为未来建立更接近真实全能性细胞特征的干细胞模型提供了重要参考。通过整合多维组学数据，研究不仅深化了对全能性分子机制的理解，也为通过调控三维基因组折叠来操纵细胞命运奠定了基础。这些发现对再生医学和发育生物学领域具有重要启示，有望推动体外全能性干细胞模型的进一步完善和应用。
