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表观遗传修饰对ESCs多能性和细胞系定向分化的作用

摘要

组蛋白修饰及DNA甲基化这样的遗传学机制被证实在基因转录过程中，起着重要的调节作用。

最近的研究结果表明一种异常的四分体染色质结构标记提供了胚胎干细胞中（ECSs）发育基因的线索。

其中有许多不进行转录的细胞系控制基因，如Sox1,Sox1,Nkx2-2,Msx1,Irx3,和Pax3，这些基因通过与激活性或者抑制性的组蛋白修饰特异结合，从而使它们发生潜在的激活或抑制来使细胞谱系发生诱导和分化。

然而研究结果也表明一些细胞系调控基因如Myf5和Mash1,并未经组蛋白修饰标记，这就表明特异的表观遗传机制可能存在于ESCs中的细胞系调控基因中。

在本综述中，我们总结了存在于胚胎干细胞内的细胞系调控基因上控制特异性组蛋白修饰的所有的可能的调控机制，以及分析了它们对胚胎干细胞多能性的作用。

另外，我们认为在囊胚的内细胞团中的个别多能干细胞中可能存在一个特异的组蛋白修饰脉冲模型。

同时囊胚中内细胞团中的干细胞在这些基因座位点可能会发生暂时性的不同步的组蛋白修饰，所以对环境信号和生理梯度不同的反应，对细胞谱系定向分化是很重要的。

最后，我们正在研究组蛋白修饰的快速交流如何能够更加稳定，由于ESCs要经历分化和成熟的过程才能形成特定的细胞谱系。

简介

从哺乳动物的囊胚中的内细胞团中获取的ESCs在体内和体外，都有进行自我更新和分化成所有类型体细胞的无限潜能。

ESCs的多能性引起了人们极大的兴奋，因为它在替代治疗退化性疾病，包括Ⅰ型糖尿病和帕金森症上具有潜在的应用。

现在已经发现需要很多因子来维持ESCs的全能性，例如Oct4,Nanog,和Sox2和细胞间的信号分子例如白血病抑制因子和骨形态发生蛋白。

例如，小鼠的ESCs细胞由于缺乏Oct4，致使其失去了自我更新的能力并且分化为胚胎外滋养层。

另外，缺少Oct4的胚胎由于在进行胚胎移植阶段，发生了内细胞团向胚胎外滋养层细胞系的转化而发生死亡。

而且，LIF不足或它的信号传导因子JAK/START3被抑制，可以引起老鼠的ESCs发生分化。

尽管现在这些因子的作用机制还不清楚，以及相关的基因也知之甚少，但这些研究表明这些因子在维持ESCs细胞的多能性中起着关键作用。

几十年来，发育生物学家面对的一大挑战就是，阐明一个机理，即为什么在遗传学上同质的细胞可以在结构上和功能上发育成一个异质的有机体。

现在正在研究的一个极为以复杂的问题就是，为什么在发育的囊胚中，多能性干细胞相互靠近并且处于相同的生存环境中，最终却形成不同的细胞系。

事实上，即便是控制细胞的培养环境，使他们处于相同的环境中，ESCs还是可以被诱导形成多种不同类型的细胞。

正在发育的生物体中的物质成分形成了很明显的梯度，这个过程类似于一种浓度依赖性行为，但是仍不清楚的是，细胞是怎样解读不同浓度的成形素所产生的的信号，进而进行精确的基因表达，来促使细胞系的形成。

然而，一旦有异质的细胞型存在，我们就可以很容易的看到梯度的产生并且持久存在，但在细胞还是同质时，发育的最初阶段是很难辨别的。

就这点而论，仅依靠成形素的浓度梯度是不足以解释细胞系定向分化以及发生在复杂的生物体内的包括人在内的细胞的分化过程。

表观遗传学被解释为可遗传的密码，而不是基因序列，包括翻译后修饰组蛋白，CPG的DNA甲基化修饰，ATP依赖性的染色体重塑，组蛋白及组蛋白变体之间的信息交流，而且小型的RNA分子可以为特殊的基因座的表观遗传机制做指引。

表观遗传机制被牵连入基因的激活和沉默的调控过程当中，而这个调控过程是在转录水平上通过基因组DNA的组蛋白整合入染色质的方式进行调控的。

例如，被组蛋白仅仅包裹，并且是折叠状态的浓缩的染色质丝状的DNA是不能够进行转录激活的，然而，与组蛋白结合不紧密，并且处于非折叠状结构的DNA是容易进行转录激活的。

最引人注意的是，当前的研究表明ESCs可以应用许多独特的组蛋白修饰来维持功能多样性，并且在适当的环境因子作用下，很容易进行细胞谱系的激活。

本综述的目的就是讨论ESCs中控制细胞系调控基因座上面独特的组蛋白修饰的机制，并且研究它们对ESCs多能性的作用。

另外，我们提出了一个组蛋白修饰的脉冲模型，其中在个别的ESCs中的关键的线性调控基因座要在染色质中经历一个脉冲式的组蛋白交流过程，因而对环境因子产生不同的反应对细胞系的定向分化是很重要的。

最后我们将研究在细胞分化和成熟的过程中，脉冲式的组蛋白修饰时如何被改变的。

在回顾ESCs中的表观遗传机制之前，我们要简单总结一下我们对在分化的体细胞中调控基因转录表观遗传机制的了解情况。

组蛋白修饰影响了基因转录

真核生物的基因组DNA被包装在染色质的紧密结构中。

染色质的基本单位是核小体，核小体是由四种核心组蛋白组成，其中H2A,H2B，H3各两分子，H4分子，每个核小体经146bp的DNA缠绕包裹。

核小体被可变长度的DNA及组蛋白H1连接在一块。

组蛋白N末端受到多种翻译后修饰，例如甲基化，乙酰化，磷酸化，泛素化，ADP核糖化作用。

这些组蛋白修饰已经证实可以调控染色质结构的紧密性，并且可以组织相邻核小体之间的高级结构的相互作用，改变核小体的定位和间隔，调整组蛋白和DNA之间的联络方式，进而来调整基因的转录。

例如，H3，H4的乙酰化同H3在第四个赖氨酸上的甲基化是相似的，通常与基因的转录活化有关，并且这些修饰只与高等真核生物的常染色体中发现。

组蛋白的乙酰化可以调和它们的阳性负载量，并且降低相邻核小体之间的相互作用。

核小体之间的相互作用可以相应的促使紧密的染色质丝发生解折叠，及DNA模板对于转录因子的暴露。

另外，组蛋白的甲基化及H3在第四个赖氨酸上的甲基化在功能上可以使转录因子与DNA模板紧密结合。

事实上，Pray-Grant等证实，染色体重塑蛋白chd1与H3的第四个赖氨酸结合，并且可以使SAGA复合体激活基因转录。

相对应的，H3的第9位赖氨酸和第27位赖氨酸发生甲基化，可以通过异染色质相关蛋白1及多梳蛋白抑制复合物，促进紧密的异质染色质结构的形成。

尽管所有的修饰都与基因沉默有关，这种抑制调节作用受到H3的第27位赖氨酸的甲基化调节，并且与异质染色体的形成有关，H3的第9位赖氨酸的抑制与固定的异质染色质有关。

引人注目的是，在成核位点确定以后，组蛋白修饰和编码的染色质形式可以自我传输到基因组DNA的许多碱基中。

即使在最初的成核信号不存在的情况下，这些形式也可以从母系细胞如实的传递给后代细胞，这就提出了表观遗传的概念。

这些发现指出，组蛋白修饰可以在细胞分化过程中稳定基因转录的激活和沉默的程序，因而引发了不同的细胞系和细胞系记忆。

事实上已经发现，基因的表达是受特殊的细胞系限制的，而且这些基因受到特定组蛋白修饰，在有这些基因表达的细胞类型中，这些组蛋白修饰有助于转录的激活。

而在其它细胞类型中，相同的基因可能受到不同的组蛋白修饰，这些修饰与基因沉默有关。

例如，最近的研究指出，在平滑肌细胞系发育的过程中，平滑肌的细胞系的启动子，需要H3第4位赖氨酸甲基化及H4的乙酰化，然而相同的启动子在其他细胞系中需要H3的第27位的赖氨酸发生甲基化。

总之，先前的结果提供了可靠的证据证实，组蛋白修饰不仅可以作为反应基因转录活动状态的反应，而且可以参与到体细胞分化的转录调控中。

ESCs中许多关键的发育基因呈现出独特的组蛋白修饰模式，在适当的环境因子作用下这种组蛋白修饰可以使基因进入活化状态

有证据表明，组蛋白修饰在ESCs的基因表达图谱中，起到关键作用。

正如分化的体细胞中的基因座一样，ESCs中，基因的启动子区域，Oct4和Nanog可以通过H3和H4的乙酰化修饰进行标记，所以这种组蛋白修饰对于基因转录是很重要的。

这些结果表明，ESCs与分化的体细胞相比，ESCs可以通过表观遗传机制来用于基因转录。

然而近来的结果表明，ESCs中一些特殊的组蛋白修饰机制，可以使细胞系调控基因沉默，但是在分化的过程中可以发生激活。

Azuara等最近运用CHIP来检测小鼠ESCs中基因座的组蛋白修饰模式。

最近研究指出，用于细胞系定向分化的关键转录因子，如Sox1,Nkx2-2,Msx1,Irx3,和Pax3，并不在ESCs中表达，但是与启动子的激活和抑制有关。

同时，弹性能量密度缺乏型的ESCs可以诱使细胞系调控基因的表达，因为这种细胞缺乏浓度依赖性的H327位赖氨酸甲基转移酶活性，所以可以得出结论如果有这种转移酶存在可以阻止ESCs中细胞系调控基因的表达。

另外，最近的研究结果表明，小鼠的ESCs中关键的发育基因，包括SOX,HOX,PAX和POU基因家族，显示了独特的组蛋白修饰模式，这些模式中，包括了大量延伸的H327位赖氨酸甲基化，同时在转录起始位点出现激活性的H34位赖氨酸甲基化。

他们称这种结合型的修饰模式为二价组蛋白修饰。

最关键的是，他们通过CHIP试验发现，作用相反的组蛋白修饰出现在同一个染色体当中，如H327位赖氨酸甲基化和H34位赖氨酸甲基化，如此可以得出，二价组蛋白修饰的出现不是因为仅含有H327位赖氨酸甲基化或H34位赖氨酸甲基化的ESCs的两个有区别的细胞亚群的存在。

他们指出，在ESCs分化为神经元细胞的过程中，只有H34位赖氨酸甲基化存留于神经元前体细胞的特殊基因启动子中，而H327位赖氨酸甲基化不存在。

相反，在另一些保持沉默的基因的启动子中不含有H34位赖氨酸甲基化，但富含H327位赖氨酸甲基化。

总之，ESCs的关键的细胞系调控基因可以被独特的抑制和激活的组蛋白修饰组合标记，通常这些标记在分化的体细胞中只存在于常染色体或者异质染色体中。

Azuara和Bernstein等猜测，这些独特的组蛋白修饰模式对ESCs的多能性维持具有重要作用，因为二价组蛋白修饰使ESCs中的基因沉默，归因于H327位赖氨酸甲基化的功能要强于H34位赖氨酸甲基化的功能，并且通过H327位赖氨酸甲基化的移除，可以使ESCs发生分化并保持这种潜能。

H327位赖氨酸甲基化已被证实与兼性异染色质的形成有关，而H39位赖氨酸甲基化可以通过组成型异染色质的形成使基因发生沉默。

ESCs中细胞系控制基因一般位于相对比较开放的染色体结构中，这种结构靠H34位赖氨酸甲基化和H327位赖氨酸甲基化的平衡作用来维持。

这个发现可以通过细胞系控制基因中不含有H39位赖氨酸甲基化，得到证实。

ESCs中细胞系控制基因上这样一个相对开放的位点，可以使基因更容易结合染色体重塑复合体，及在环境因子的作用下可以诱发转录起始的转录因子。

当ESCs分化成一种特定的细胞系的过程中，细胞系控制基因位点上抑制性修饰将被去除，激活性修饰将被保留，进而使转录起始。

相反，当ESCs经诱导形成其它细胞系时，非必需的基因位点上的激活性的组蛋白修饰将被移除，而抑制性修饰将被保留，进而使基因保持沉默。

如此一来，ESCs中细胞系调控基因位点上的二价修饰很可能是作为激活或者抑制的起始平台，这样一个开放性转录位点在ESCs的多能性维持上具有重要作用。

然而，在许多细胞系调控基因包括Myf5和Mash1，的启动子位点并未检测到二价组蛋白修饰。

Myf5作为MyoD转录因子的家族的一员，已被证实是肌肉细胞系定向分化的重要调控者，同时，Mash1是形成神经元前体细胞重要的转录因子。

另外，Bernstein等研究证实，ESCs中许多重要的发育基因，只能被H34位赖氨酸甲基化标记，或者是并不显示H34位赖氨酸甲基化或者H327位赖氨酸甲基化。

这些基因不仅在细胞系的形成上具有重要作用，在后期发育阶段，也可以被不典型的表观遗传机制激活。

总之，试验结果表明只有一些重要的发育基因和细胞系控制基因，展现四分体结构，而其它的细胞系控制基因显示不同的组蛋白修饰。

这些结果的差异尚不清楚，可能是因为这些基因座中组蛋白修饰动力学的交流造成的结果，正如在下一个部分中的描述。

指令ESCs中特异的组蛋白修饰模式的作用因子和机制

当前，尚不清楚的是，ESCs为什么仅有一些细胞系控制基因具有二价组蛋白修饰模式，而二价修饰是如何进入特定的细胞系控制基因座，这其中精确地机理也不清楚。

造血干细胞系定向分化的多层激活模型，可以解释为什么只有一些细胞系控制基因具有二价组蛋白修饰。

根据这个模型，ESCs只有在早期阶段需要的主要的细胞系控制基因例如SOX,PAX,HOX,POU基因家族，才具有二价组蛋白修饰，这些主要的基因可以引发下游一系列细胞系控制基因的激活。

然而，先前许多研究者指出，在小鼠的ESCs中许多细胞系特异基因并不是转录因子，与激活组蛋白修饰密切相关。

例如，据报道，胰脏β细胞特异胰岛素基因，神经元突触结合蛋白-4基因，B细胞前体特异基因的启动子区域是经过H3的乙酰化，和H34位赖氨酸甲基化标记的。

而且，ESCs中突触结合蛋白-4基因和B细胞前体特异基因基因间的位点与许多转录因子密切相关，包括RNA聚合酶Ⅱ。

ESCs中，这些细胞系特异性基因包含激活性组蛋白修饰的原因尚不清楚，但是这些结果表明表观遗传引发的机制不仅仅在关键的细胞系调控基因上出现。

因为二价修饰模式对ESCs是特有的，我们可以猜测，ESCs选择性转录因子例如OCT4，NANOG,SOX2，可能参与指令关键发育基因的特殊修饰的发生。

最近Boyer和Loh等分别在人和小鼠ESCs中通过CHIP试验法和基因微晶片法筛选到目标基因OCT4，NANOG,SOX2。

他们惊奇地发现ESCs特定的转录因子不仅与活性转录基因有关也与转录沉默基因有关，例如ESCs中的HOX和PAX.这些发现与那些假设相一致，即ESCs中选择性的转录因子是二价组蛋白修饰组合的重要中介。

据报道，OCT4，NANOG,SOX2对大部分的靶基因起到转录启动的作用，但是还没发现对组蛋白具有固有的酶激活功能。

更有趣的是ESCs中选择性的转录因子可以通过组蛋白修饰酶诱导激活性组蛋白修饰选择性进入到特定的细胞系控制基因中。

相反，特定的ESC转录因子可能可以通过抑制性组蛋白修饰酶使抑制性组蛋白修饰进入到细胞系控制基因座中，因为，在细胞分化过程中，细胞系控制基因激活后，ESCs特定的转录因子和抑制性组蛋白修饰都被减弱。

最近研究表明，H327位赖氨酸甲基化需要的多梳蛋白复合体与许多关键的细胞系控制基因密切相关，而且它们的目标基因也和这些蛋白组合折叠形成ESCs特定的转录因子。

因而，更有意义的是检测在ESCs修饰的细胞系控制基因中，ESCs特定的转录因子是否具有直接应用多梳蛋白复合体来引入抑制性组蛋白修饰。

然而，有一些关键的地方需要考虑，第一，有超过100个基因座检测到与组蛋白修饰密切相关，但只有一半与OCT4和NANOG相关。

第二，尽管MYF5基因已证实与抑制性和激活性组蛋白修饰没有联系，但是它的位点却被OCT4占据。

这些结果表明二价组蛋白修饰组合不能完全通过ESCs特定转录因子解释。

恰恰相反，外源添加特定的ESCs转录因子并不能促进二价组蛋白修饰的形成。

在细胞系控制基因的启动子中呈现的特异调控原理对ESCs中二价组蛋白修饰的出现具有决定性作用。

事实上，Berstein等发现CPG岛的出现位点与H34位赖氨酸甲基化的出现具有密切联系。

最近，LeeandSkalnik指出CXXC指状蛋白，是非甲基化CPG岛的结合因子，是哺乳动物Set1H34位赖氨酸甲基化酶复合体的组成成分，结果表明未经甲基化的CPG岛是甲基化酶的直接目标。

因而，在ESCs中的启动子区域，关键的细胞系调控基因中出现的H34位赖氨酸甲基化是通过Set1甲基化酶进入非甲基化CPG岛进行的。

然而，仍然需要检测的是ESCs中的关键细胞系调控基因上的CPG岛是否发生甲基化。

事实上，通过基因组的研究结果表明CPG岛的甲基化位点在ESCs和成年鼠组织没有差异，例如大脑和肾脏，尽管这些研究没有注重于关键的细胞系调控基因。

更有意义的是，去确定细胞系控制基因座上CPG岛的甲基化位点在ESC和分化的细胞中有没有差异，及CPG岛是否是与指令二价组蛋白修饰因子有关。

最后，应该考虑的一个可能性是如果在细胞系控制基因位点未检测到ESC特殊的组蛋白修饰可能是一种假阴性反应。

据报道，激活性组蛋白修饰只存在于基因间位点，而并不存在于VpreB的启动子区域。

在这个例子中，在B细胞系分化的过程中激活性组蛋白修饰从基因间位点扩展到启动子区域。

因此，组蛋白修饰可能存在于被引物覆盖的区域之外。

总之，在ESC中的关键细胞系控制基因位点的二价组蛋白修饰的形成具有明显的证据。

然而，引发二价组蛋白修饰的形成的特异性机制及他们在干细胞多能性和细胞系决定上的作用，仍需继续探讨。

ESCs中细胞系控制基因可能被快速交流的组蛋白修饰标记

目前我们的讨论主要集中在对不同细胞系控制基因的不同组蛋白模式的研究。

然而很可能，大多数的细胞系控制基因使用类似的组蛋白修饰机制来使他们保持在转录开放的状态，但是由于受到CHIP技术的限制还没有检测到。

在这一部分，我们提出了组蛋白脉冲模型，其中，个别的特殊基因座上组蛋白修饰模式发生随机的改变。

在任何紧急的时刻，特异的ESC也可能在关键的细胞系控制基因上对组蛋白修饰发出指令以适应变化的环境因子。

事实上，这样一个模型可以使实验证据保持一致。

在这个模型中，大部分的基因都与组蛋白修饰具有密切联系，同时组蛋白修饰具有动力学和化学计量学的特征。

例如，一些基因SOX1，NKX2-2，MSX1，IRX3，PAX3，通过CHIP方法检测发现它们的启动子包含四分体染色体结构，并且与高频率持久循环的组蛋白修饰模式关系密切。

相反，一些基因的启动子未检测到四分体结构，使用CHIP也很难检测到组蛋白修饰。

因为个别ESCs的短暂的基因位点组蛋白修饰交流，使用CHIP方法检测到组蛋白修饰的可能性和敏感性依赖于以下几个可变因素，（a）一小部分的ESCs在一些特定的位点具有组蛋白修饰，（b）要有充足的组蛋白修饰（c）使用的方法足够敏感，包括抗体对组蛋白修饰的亲和力。

例如，一些数据表明细胞系调控基因座，显示了特殊的组蛋白修饰，表明这种模式可能呈现在一些ESCs的特定位点和特定的DNA序列，与组蛋白紧密结合。

相反，一些数据表明没有检测到组蛋白修饰，表明个别细胞内的修饰是很短暂的，或者浓度很第在可以检测的浓度以下。

在ESCs分化过程中，组蛋白修饰保持动态平衡，所以在分化的体细胞中有较高水平的组蛋白修饰。

这个模型与许多实验室的研究相一致，即组蛋白修饰的水平在分化的体细胞中比ESCs的高，因为很多细胞都有可能同时发生组蛋白修饰。

事实上，Mestelih等一系列创新性的研究为组蛋白修饰模型提供了直接的证据。

应用FRAP技术，他们指出ESCs的染色质蛋白的运转周期非常快。

例如，ESCs中基因组DNA上的H3蛋白循环只有几秒钟，而在分化的细胞中要持续几分钟。

他们给出一些证据与DNA紧密结合的组蛋白，通过调节ESCs的动态特征蛋白，对ESCs的多能性是必须的。

最重要的是，他们提出了一个更有力的证据ESCs中组蛋白的高动力的循环状态不是细胞增殖高效率的功能，这种高动力的特征在ESCs的任何细胞周期中都可以检测到。

与此同时，这些研究的一个优势是FRAP技术允许在单个细胞水平进行染色质蛋白动力学检测，这样作者就可以直接进行增殖细胞和非增殖细胞的动力学比较，发现没有差异。

因此，这些结果表明染色质蛋白的动力学交流包括ESCs中染色质上的组蛋白，不是细胞增殖的功能，但是表明它们是ESCs多能性的关键决定因素。

就这点而论，快速的组蛋白交流速率是一个潜在的调控机制，即整个过程中组蛋白是如何动态的在细胞系控制基因的模板上结合或者脱离。

然而，关于这个问题还有还有一些未解决的问题。

第一，现在还不知道是什么因子和机制控制组蛋白修饰在基因座上的动态交流速率。

尽管ESCs的特定转录因子和调节因子决定了决定了组蛋白修饰的动力学，然而没有直接的证据。

第二，现在尚不清楚在特定的细胞系中特定的基因座上的组蛋白修饰模式是由组蛋白修饰的信息交流或者是通过组蛋白修饰酶引起的原位修饰。

后者可以通过即时测量扩散率，分解率，在单个细胞中和特定基因位点染色质上组蛋白修饰酶的停留时间，采用的方法类似于检测多梳蛋白和糖皮质激素受体的方法，包括荧光标记技术，原位杂交和FRAP显微镜方法。

作为一种选择，可以采用FRET来检测组蛋白动态交流，其中荧光组蛋白和标记DNA，因为FRET已经在单个细胞水平蛋白检测上使用。

而且，采用CHIP在50个ESCs细胞中检测采用组蛋白修饰模式，进而提高了在单个细胞上检测的可能性。

总之，尽管组蛋白修饰脉冲模型提供了一个对ESCs多能性具有重要作用的可能性机制，这个模型也引发可很多问题和技术研究和创新包括在单个细胞水平特定基因的组蛋白修饰进行及时检测。

不同步的组蛋白修饰脉冲模型可能在发育胚胎中异质细胞群的最初形成中起到重要作用

在发育生物学中，最引人注意但又难理解的是囊胚中内细胞团中在形态学上同种的多能性干细胞，通过特定环境信号的作用，诱导分化为其它细胞。

很明显这是一个复杂的过程，涉及到交互性机制，包括细胞质分裂机制，母体印记，而且最近报道在内细胞团的多能干细胞中存在异质性，而且可以推测，发育囊胚中个别多能干细胞所发生的不同反应部分原因是不同步的组蛋白修饰模式的动态性造成的。

换言之，囊胚中相邻多能干细胞对相同的环境因子反应的差异是由于在紧急时刻特定基因位点组蛋白修饰的差异。

所以，可以提出这样的假设在胚胎发育过程中，组蛋白修饰模型对于形成空间上和时间上异质的细胞和维持ESCs细胞的多能性同样重要。

根据组蛋白修饰脉冲模型，在多能干细胞中的关键基因表现出变动的交流频率，例如H34位赖氨酸甲基化和H327位赖氨酸甲基化。

尽管Berstein等清楚地指出，通过CHIP方法测定发现这些组蛋白模型出现在相同的基因座上，但是也有可能，每一种组蛋白修饰模式的动力学在单个细胞中是不同步的。

一个简单的表格证实了这种原则。

在这个模型中，多能干细胞A呈现出开放的染色质结构，在特定的时间位点Z的特定基因座上激活性H34位赖氨酸甲基化的出现，抑制性H327位赖氨酸甲基化的缺乏。

相反，其它多能干细胞，在相同的基因位点可能包含激活性H34位赖氨酸甲基化和抑制性H327位赖氨酸甲基化。

在相同的时间点Z，在这个特定的细胞系控制基因，只有在细胞A中才能应对相应的发育刺激，但是在细胞B和细胞C却没有此反应。

环境信号和ESCs的转录因子，可以再Z时与反应性的基因，然后继续激活多能干细胞A的转录和表达，但是在细胞B和C中会受到H327位赖氨酸甲基化的抑制性阻止。

尽管没有证据表明，缺乏H34位赖氨酸甲基化和H327位赖氨酸甲基化的基因可能不会对发育刺激产生反应，或者对发育刺激产生反应，但是在个别多能干细胞中可能对特定的环境信号产生特定的指令，同时由于组蛋白修饰模式不同步的动态特征，可能导致异质细胞群的形成。

在细胞系控制基因最初的激活过程中，可以通过一系列机制扩增，例如表观遗传及基因激活后引起基因下游的效果。

这种组蛋白修饰可以通过在染色质上延伸及在细胞分裂中的遗传而在空间和时间上得到加强。

因而，在分化的细胞系中，最初的成核现象之后，组蛋白修饰可以指令引起激活或者沉默，及去除ESXCs特定基因座上的组蛋白修饰脉冲。

例如，已经证实，ESCs的沉默子的转录脉冲，可以引起多梳蛋白的复位FAB7转基因启动子的Trithorax和H327位赖氨酸甲基化及H34位赖氨酸甲基化整合入HOX基因座。

因此，多能干细胞的基因座的二价修饰蛋白，可以归结为染色质仅含有H34位赖氨酸甲基化或者H327位赖氨酸甲基化，一旦发生分化就可以引发这些基因的激活或者抑制。

一旦异质细胞群通过这种方式建立起来，通过特定的生理梯度环境因子，可利用的代谢分子，激素，分泌的基质成分来维持和扩展细胞分化是比较困难的，但是这些成分可以促进一些细胞分化成熟至特定的细胞系。

前景

在本篇综述中，我们提出一个组蛋白修饰脉冲模型，这个模型在ESCs多能性的维持和细胞系的定向分化具有重要作用。

一个引人注意的问题是，重建一个不同步的高动力循环状态是否可以恢复分化的体细胞的多能性