造血干细胞（Hematopoietic stem cells，HSCs）具有自我更新和多向分化潜能，能够产生各种类型的血液细胞，维持机体造血系统的平衡。越来越多的研究表明，HSCs的稳态维持是一个复杂又精密的调控过程，涉及胞外和胞内多种调节因子。深入了解有关HSCs的生物学功能是推动基于HSCs的再生医学与临床治疗发展的关键。
p21由基因Cdkn1a编码，是一种包含164个氨基酸，分子量约为21 kDa的蛋白。它是被报道的细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（cyclin-dependent kinase inhibitors，CKI）家族的首个成员。2000年，p21最早被报道作为限制HSCs进入细胞周期的关键分子。然而，其他研究在利用不同遗传背景的小鼠时发现，p21全身敲除小鼠似乎并未展现出明显的造血系统功能异常。另外，稳态条件下，p21在HSCs的功能并不清楚。
2024年5月9日，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛/程辉/董芳研究组以及暨南大学鞠振宇研究组在Protein & Cell杂志在线发表了题为p21/Zbtb18 repress the expression of cKit to regulate the self-renewal of hematopoietic stem cells的文章。该研究利用p21-tdTomato小鼠发现，p21-tdT+ HSCs的功能强于p21-tdT– HSCs。p21可以与转录抑制因子Zbtb18相结合，协同抑制cKit的表达，从而调控HSCs的自我更新能力。这些发现不仅明确了稳态条件下p21在HSCs功能调节中的作用新机制，更揭示了p21作为CKI以外的角色。
尽管以往的研究中p21全身敲除小鼠被广泛应用，但由于全身敲除小鼠模型存在的固有缺陷可能会对揭示p21在HSCs中真正发挥的作用产生影响。在本研究中，研究人员使用了p21-tdTomato小鼠，在不敲除p21的条件下，根据tdTomato荧光强度区分p21-tdT− 和p21-tdT+ HSCs以此来阐明在生理条件下p21于HSCs中的功能。CellTrace Violet的实验结果表明p21-tdT+ HSCs处于不活跃的细胞分裂状态，这一结果首先肯定了p21在HSCs细胞周期调节中存在作用。接下来，一系列体内外功能实验证实，p21-tdT+ HSCs 无论是在稳态还是移植后应激条件下，均展示出更强的长期移植以及自我更新能力。随后，为了揭示p21-tdT− 和p21-tdT+ HSCs之间存在显著功能差异的分子机制，研究人员对这两群细胞进行了RNA-seq，ATAC-seq以及H3K4me1、H3K4me2、H3K4me3和H3K27ac 组蛋白修饰的CUT&Tag-seq实验。通过对以上生物信息学数据的综合分析以及实验验证，发现转录抑制因子Zbtb18在p21-tdT+ HSCs中高表达。最后，通过Zbtb18 CUT&Tag、体外敲降、Co-IP以及Luciferase等实验，研究人员发现p21可以和Zbtb18结合共同抑制cKit转录，从而使得p21-tdT+ HSCs具有更强的干细胞功能。
图1.全文模式图
综上所述，本篇研究使用p21-tdTomato小鼠模型，探究了p21在稳态条件下于HSCs中的作用。该研究发现p21可以和转录抑制因子Zbtb18相结合，共同抑制cKit转录，从而使得p21-tdT+ HSCs具有更强的长期移植以及自我更新能力（图1）。这一发现为p21在HSCs中发挥着独立于细胞周期调控的生理功能与机制提供了新的视角，拓展了人们对于p21功能的理解，具有重要的生物学意义。
中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程辉研究员、程涛教授、暨南大学鞠振宇教授和中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）董芳研究员为共同通讯作者，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）博士生王妮妮和副研究员杨尚达为共同第一作者。
原文链接：https://doi.org/10.1093/procel/pwae022