2013年3月14日，北京生命科学研究所高绍荣实验室在《Cell Stem Cell》杂志在线发表题为“Replacement of Oct4 by Tet1 during iPSC Induction Reveals an Important Role of DNA Methylation and Hydroxymethylation in Reprogramming”的文章。该文章首次报道了Tet1和5hmC在iPS细胞诱导过程中参与内源Oct4基因的去甲基化和激活，并且进一步证明Tet1可以取代外源Oct4实现安全高效的体细胞重编程。
诱导多能干细胞(iPS)是通过在分化的体细胞中过表达特定转录因子，如Oct4(O)，Sox2(S)， Klf4(K)， c-Myc(M)而实现体细胞重编程。高绍荣实验室在2009年通过四倍体补偿实验，获得了完全由OSKM iPS细胞发育来的小鼠，从而证明了iPS细胞具有真正多能性。在随后的几年里实验室一直致力于研究体细胞重编程过程中的表观遗传机制。DNA甲基化修饰由DNA甲基转移酶催化产生，主要产物为5-甲基胞嘧啶（5mC）。作为一种重要的表观遗传修饰，DNA甲基化广泛参与基因表达的调控，组蛋白修饰的建立等过程。在体内和体外的多种重编程过程中，DNA甲基化的去除，对于全能性基因的激活和组蛋白修饰的重建十分重要。然而，DNA去甲基化的分子机制一直不清楚。近年来，研究发现Tet家族可以催化5mC的氧化生成5hmC (5-羟甲基胞嘧啶)，从而进一步通过不同途径实现主动去甲基化或被动去甲基化。最新的研究证明Tet3介导的5mC的羟基化对于受精过程的DNA去甲基化和重编程具有重要作用；Tet1和Tet2也被认为参与了PGC发育过程以及细胞融合介导的重编程过程中特异位点的去甲基化。对于转录因子介导的体细胞重编程过程中，Tet是否参与内源全能性基因的去甲基化和重新活化并不清楚。
高绍荣实验室通过研究首次证明了5hmC和Tet1参与了传统iPS诱导（OSKM）过程中核心多能基因Oct4的去甲基化和表达激活。过表达Tet1可以促进Oct4转录控制区域5hmC的产生，进一步促进该区域的去甲基化和活性组蛋白信号的获得，实现Oct4的提前激活，进而促进重编程的发生。过表达Tet1更能够取代传统iPS诱导中最重要的转录因子Oct4，在其他因子辅助下成功实现体细胞的重编程（TSKM）。他们随后发现，通过四倍体囊胚补偿可以获得完全由TSKM iPS细胞发育来的小鼠，这些TSKM iPS小鼠能健康成长并正常繁殖。与OSKM来源的iPS小鼠具有很高的肿瘤发生率不同，这些TSKM iPS小鼠不会发生肿瘤。进一步研究发现，与传统的OSKM iPS细胞（5mC高，5hmC低）相比，TSKM iPS细胞的甲基化和羟甲基化水平更接近于胚胎干细胞（ESC）。表明TSKM诱导方法可能更有利于产生低致癌潜能的iPS细胞。
他们进一步利用TSKM iPS小鼠的成纤维细胞建立了TSKM的二次诱导体系进行机制研究。他们发现这个体系能够实现更高效率的重编程。通过各种实验手段以及高通量分析，他们发现5hmC参与了多个重要的多能性基因和多能性有关的活性调控区域的去甲基化，而重编程过程中独特的5mC与5hmC的动态变化模式，可能参与了基因组上的转录调控。这表明DNA甲基化和羟甲基化的改变可能直接影响着细胞全能性的重新获得。
总之，这项研究不仅证明了Tet1和5hmC可以促进传统iPS诱导中Oct4去甲基化和重新激活，更为体细胞重编程提供了新的选择，即通过过表达Tet1，直接推动DNA修饰的转变来促进细胞全能性的获得。细胞DNA修饰水平分析和小鼠癌症发生的研究，表明TSKM诱导可能通过提高DNA羟甲基化降低iPS细胞的致癌风险。这为提高iPS细胞应用的安全性提供了重要途径。
高绍荣实验室的博士生高亚威和陈嘉瑜为本文共同第一作者，高绍荣博士和蔡涛博士为该论文的共同通讯作者。中国科学院生态环境研究中心的汪海林博士和学生黄华也有重要贡献。参与该工作的还有学生李珂，吴彤，刘文强，蒋永华，陆志伟，徐子健，康岚，陈珺；以及技术员黄波，寇晓晨，张郁，姚超，刘晓蕾。该研究在北京生命科学研究所完成，研究得到科技部和北京市政府的资助。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1016/j.stem.2013.02.005
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Replacement of Oct4 by Tet1 during iPSC Induction Reveals an Important Role of DNA Methylation and Hydroxymethylation in Reprogramming
Yawei Gao, Jiayu Chen, Ke Li, Tong Wu, Bo Huang, Wenqiang Liu, Xiaochen Kou, Yu Zhang, Hua Huang, Yonghua Jiang, Chao Yao, Xiaolei Liu, Zhiwei Lu, Zijian Xu, Lan Kang, Jun Chen, Hailin Wang, Tao Cai, Shaorong Gao
DNA methylation and demethylation have been proposed to play an important role in somatic cell reprogramming. Here, we demonstrate that the DNA hydroxylase Tet1 facilitates pluripotent stem cell induction by promoting Oct4 demethylation and reactivation. Moreover, Tet1 (T) can replace Oct4 and initiate somatic cell reprogramming in conjunction with Sox2 (S), Klf4 (K), and c-Myc (M). We established an efficient TSKM secondary reprogramming system and used it to characterize the dynamic profiles of 5-methylcytosine (5mC), 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), and gene expression during reprogramming. Our analysis revealed that both 5mC and 5hmC modifications increased at an intermediate stage of the process, correlating with a transition in the transcriptional profile. We also found that 5hmC enrichment is involved in the demethylation and reactivation of genes and regulatory regions that are important for pluripotency. Our data indicate that changes in DNA methylation and hydroxymethylation play important roles in genome-wide epigenetic remodeling during reprogramming.
