本研究通过构建包含593个针对猪E3泛素连接酶的sgRNA的CRISPR/Cas9文库进行筛选，发现E3泛素连接酶PIAS4是调控猪胚胎干细胞多能性退出的关键因子。进一步的机制研究表明，PIAS4通过SUMO化修饰稳定KDM5B，协同调控组蛋白H3K4me3修饰水平，进而抑制LEFTY2等多能性相关基因的表达，促进细胞分化。该研究不仅揭示了PIAS4在多能性调控中的核心作用，也为干细胞分化机制研究提供了新的靶点和思路。

中文标题：揭示猪胚胎干细胞多能性退出新机制，助力干细胞育种与再生医学

英文原题：PIAS4 Regulates Pluripotency Exit and Cell Fate Commitment in Porcine Embryonic Stem Cells

通讯作者：

苗义良，华中农业大学

周吉隆，华中农业大学

第一作者：

秦   薇，华中农业大学

汪   煜，华中农业大学

关键词：猪扩展潜能干细胞（pEPSC）；CRISPR/Cas9文库筛选；多能性退出； E3泛素连接酶；PIAS4

研究背景

胚胎干细胞具有无限增殖和多向分化的潜能，在再生医学、疾病模型构建和生物育种中具有广阔应用前景。猪因其在生理、免疫及胚胎发育方面与人类的相似性，成为生物医学研究和异种器官移植的理想模型。近年来，猪扩展潜能干细胞（pEPSCs）的成功建立为干细胞应用开辟了新路径，但其低嵌合率和生殖系传递能力的不足限制了进一步发展。多能性退出是干细胞从多能状态向特定细胞类型分化的关键步骤，涉及核心转录因子网络的解构及谱系特异性基因表达的激活。尽管翻译后修饰（如泛素化和SUMO化）在细胞命运决定中的作用已受到关注，但其在猪胚胎干细胞多能性退出中的具体机制尚待阐明。

研究成果

华中农业大学苗义良和周吉隆研究团队利用CRISPR/Cas9文库筛选技术，首次鉴定出E3泛素连接酶-PIAS4（Protein Inhibitor of Activated STAT 4）是调控猪多能干细胞（pEPSCs）多能性退出的关键因子。研究发现，抑制PIAS4表达可显著延缓pEPSCs的多能性退出过程，阻碍其正常分化，甚至使细胞在特定条件下重新获得多能性。

进一步的机制解析表明，PIAS4通过SUMO化修饰增强组蛋白去甲基化酶KDM5B的稳定性，两者共同作用于LEFTY2、GNL3L等多能性相关基因的启动子区域，调控附近的组蛋白H3K4me3修饰水平，从而抑制这些基因的转录活性。尤为重要的是，研究团队发现LEFTY2作为PIAS4的关键下游效应因子，其敲低可有效挽救因PIAS4缺失所引起的干细胞分化障碍，恢复中内胚层谱系基因的正常表达模式（图1）。该研究系统阐释了“PIAS4-KDM5B-H3K4me3-LEFTY2”调控轴在猪胚胎干细胞多能性退出与细胞命运决定中的核心作用，不仅为干细胞生物学研究提供了新的机制视角，也为提高多能干细胞定向分化效率提供了潜在靶点。

未来方向

研究团队将在此基础上深入探索PIAS4与KDM5B相互作用的分子细节，进一步解析干细胞中翻译后修饰与表观遗传之间的偶联关系。此外系统探究PIAS4在不同物种干细胞中调控功能，验证PIAS4-KDM5B-H3K4me3-LEFTY2轴在物种间的保守性与普适性也是未来研究的重要方向。最终，这些研究成果将用于优化猪多能干细胞的体外培养体系，提升其嵌合能力与生殖系传递效率，从而推动其在人造肉生产、种质资源保存及异种器官移植等领域的应用，为畜牧业与再生医学提供关键技术支撑。

主要作者简介

苗义良  华中农业大学教授，国家自然科学基金青年科学基金项目(A类)获得者。研究方向涉及胚胎发育、干细胞育种与基因编辑。在Cell Reports等期刊发表SCI论文90余篇。先后承担国家重点研发项目、国家自然基金等多项科研项目。

周吉隆  华中农业大学副研究员、博导。主要从猪早期胚胎发育与干细胞多能性调控研究。主持国家自然基金等多项科研项目，在Autophagy、Advanced Science等期刊发表SCI论文15篇。

秦   薇  华中农业大学，动物遗传育种与繁殖专业硕士生。

汪   煜  华中农业大学，动物遗传育种与繁殖专业在读博士生。

引用本文

Wei Qin, Yu Wang, Hongfei Duan, et al., PIAS4 regulates pluripotency exit and cell fate commitment in porcine embryonic stem cells. Fundamental Research. 5(4) (2025) 1556-1569.

原文链接（复制到浏览器中查看）：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824004473

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