表觀遺傳學的歷史與“表觀發生”理論交織在一起，“表觀發生”理論認為組織在發育或再生過程中由未分化的細胞重新形成。該理論最初于 1700 年代提出，融合了哲學和實驗科學，提出生物體形成新結構需要一系列分化和形態發生步驟。具有一種身份的細胞可以完全轉變為另一種東西的想法為現代再生生物學奠定了基礎，并且通過分化細胞可以被誘導成多能干細胞的發現得到了最優雅的證明。類似的轉變發生在后生過程中，為了響應組織損傷或切除，剩余細胞的分裂、生長和轉變以取代缺失或損壞的細胞（圖 1）。這種能力需要重新配置基因組，以便打開這些細胞獲得新命運所必需的基因，并關閉那些限制這一過程的基因。表觀遺傳學是在發育和再生過程中如何實現這一點的本質。
表觀遺傳密碼是組蛋白變體、組蛋白翻譯后修飾 (hPTMs)、DNA 修飾、長非編碼 RNA、染色質重塑劑和其他因素的復雜組合。這些標記的組合作用決定了染色質是“開放”的，因此易于與增強子、轉錄因子 (TFs) 和轉錄機制相互作用；還是“封閉”的，限制轉錄。緊密“閉合”的染色質構型，稱為組成型異染色質，處在核纖層、核仁邊緣和染色體的結構元件（例如著絲粒），而兼性異染色質可以動態改變或重塑。大多數脊椎動物基因組中近一半被轉座元件（TEs）占據； 異染色質的一個主要功能是抑制這些基因組“寄生蟲”，以減少它們活動所造成的威脅。所有這些元素的組合影響定義了表觀基因組。
染色質重塑和建立肝細胞身份的先鋒因子方面的工作有著悠久而豐富的歷史，這讓我們了解了許多關于細胞命運轉變和先鋒因子如何發揮作用的知識。此外，以表觀遺傳學為基石，人們正在更好地理解細胞可塑性在促進肝損傷恢復以及肝再生過程中控制基因表達的過程中的重要性。 在這里，我們回顧了肝臟發育和再生過程中基因調控和細胞命運決定的表觀遺傳基礎。
在大多數情況下，受傷或截肢組織的再生依賴于表觀發生，即干細胞和重新利用的分化細胞被重新編程以形成新的結構（box）。 然而，哺乳動物肝臟具有通過肝細胞增殖進行再生的獨特能力，這種能力可能是由于肝臟在抵御毒素和其他導致細胞損傷的刺激的前線防御中發揮的重要作用而進化的（圖 1）。 賦予再生缺陷器官令人難以置信的再生能力的希望為再生醫學帶來了巨大的希望。 鑒定肝臟再生中涉及的信號通路和細胞反應的令人興奮的發現極大地推進了該領域的發展。關于肝再生表觀遺傳調控的研究相對較少；在這里，我們重點關注機制研究，這些研究揭示了靜止肝臟中的染色質模式如何允許激活再生基因
再生的多種方法
?在一些研究得最好的案例中，例如兩棲動物和爬行動物的肢體再生，再生過程是外態的（epimorphic），因此，它概括了發育并遵循外生理論。 外態再生分為三個主要階段：傷口愈合、組織修復和再生。 第一個對應于全部或部分傷口修復。 第二種涉及組織的位點特異性功能恢復，但沒有有效的形態發生，如在心臟、肌肉、肝臟、肺和骨骼中觀察到的那樣。 第三個是復雜結構的完全再生和 3D 化，以便兩棲動物、爬行動物和海洋無脊椎動物的四肢提供完整的功能。 在再生缺陷的動物（如哺乳動物）中，疤痕組織取代了受損的細胞。 這可以防止組織進一步損失，但也可以替代必需細胞，就像肝硬化的情況一樣。 哺乳動物的肝臟是一個明顯的例外。 肝臟能夠在沒有干細胞或芽基的情況下再生，其中肝臟的分化細胞可以增殖和/或肥大以恢復缺失或受損的肝臟質量（參見正文中的圖1）。 在大多數與肝臟疾病相關的情況下，肝臟遭受慢性損傷，干細胞和分化細胞都可能有助于再生過程。 然而，在這兩種情況下，參與細胞周期重入、組織特異性細胞分化和形態發生的基因都需要重要的、精確地時間和空間控制。 有大量證據表明表觀遺傳學在再生過程中協調這些基因表達模式中的作用。 然而，在疾病、癌癥或衰老的情況下，這種再生表觀遺傳密碼是如何設定、維持或調節的仍然不確定。
肝臟可以通過三種不同的過程再生（圖 1）。 在哺乳動物中，三分之二的部分肝切除術（PH）或藥物、毒素或感染造成的輕度損傷會引發再生反應，使分化的肝細胞生長（肥大）或重新進入細胞周期（過度增殖）。肝細胞從靜止狀態向增殖狀態的轉變伴隨著數千個基因表達的變化。 這種動態轉錄譜確保細胞和組織重新增殖并維持譜系同一性，因此肝臟可以在生長時繼續發揮作用。為了應對持續或嚴重損傷，肝細胞去分化有助于重新增殖（圖 1）。 在肝衰竭或慢性損傷的情況下，肝細胞無法有效地重新進入細胞周期，健康肝臟中維持的肝祖細胞（LPCs）庫會被觸發擴張，然后分化以重建受損組織。這也可以通過 BECs轉分化為 LPCs 來增強。 這種祖細胞介導的再生還需要高度受控的基因表達模式，這似乎是由染色質決定的。
為了確定在肝臟再生過程中改變其可及性的基因組區域，最近的一項研究在小鼠模型中使用了轉座酶可及染色質測序分析（ATAC-seq），在該模型中，肝細胞在大規模肝細胞損傷后重新填充到肝臟中。 正如預期的那樣，再生肝細胞增加了參與細胞生長和增殖的基因啟動子的可接近性，以及參與 HNF4α 靶向的肝細胞功能基因的可接近性。 這項研究還發現了 CCCTC 結合因子 (CTCF) 是一種已知組織增強子和啟動子之間相互作用的絕緣體，在再生肝臟中充當細胞增殖、細胞形態發生、應激反應和細胞死亡相關基因的共激活子和共抑制子。這不僅表明肝臟再生過程中發生區域變化以調節基因表達，而且表明3D基因組被重新配置以影響調節肝細胞特性和細胞分裂的重要基因的表達。
最近的其他研究發現了靜息肝細胞基因上的抑制和激活表觀遺傳標記網絡，這些標記對于設定其再生能力似乎很重要（圖2）。SWI/SNF 復合因子Arid1a 在傷口愈合和 PH 后的肝臟再生過程中受到短暫抑制。 使用肝細胞特異性敲除 Arid1a 的小鼠證明了 Arid1a 缺失將允許再生基因表達的假設，這表明再生能力得到改善。這歸因于染色質重塑減少了兩個關鍵轉錄因子的結合：C/ebpα（誘導驅動分化的基因）和 E2f4（阻斷促進細胞分裂的基因）。 另一項研究表明，Arid1a 有助于 YAP/TEAD 與促進肝細胞轉化為肝祖樣細胞 (LPLCs) 的基因的表觀遺傳調控。染色質重塑復合物單一成分的改變可以顯著影響肝臟再生，這一發現可能有望通過操縱 Arid1a 或其他 SWI/SNF 成分來增強衰竭肝臟或其他組織的再生。
我們實驗室的工作支持并擴展了肝細胞中的表觀遺傳密碼決定其再生潛力的觀點。 通過研究小鼠肝細胞中 Uhrf1 缺失引起的整體 DNA 低甲基化的后果，我們發現了一種意想不到的機制，H3K27me3 通過補償 DNA 甲基化的缺失來抑制 TEs。 因此，H3K27me3 介導的對再生基因的抑制被放松，促進過早和持續的激活以及 PH 后再生過程中更快的細胞周期進入（圖 3）。 我們推測，這可以通過重新利用 H3K27me3（通常用于抑制基因表達）來保護肝細胞免受 TE 激活的潛在破壞性影響。有趣的是，據報道，肝細胞中缺乏 Dnmt1 的小鼠具有完全不同的表型，其中印記基因和 TEs 被抑制，肝細胞顯示 DNA 損傷并經歷細胞衰老、凋亡和纖維化。 對不同表型的一種解釋是，我們發現在沒有Uhrf1 的情況下，基因組區域仍保持完全甲基化，這可能是通過不依賴 Uhrf1 的獨立機制來實現甲基化。 這種殘留的甲基化可能會抑制 Dnmt1 缺陷肝細胞中未受保護的基因組區域；或者，Uhrf1 丟失可能直接參與 H3K27me3 向 TEs 的重新分配。
組蛋白 PTMs 在再生過程中染色質景觀的設定中發揮著至關重要的作用。 由于具有化學調節這些標記的能力，組蛋白乙酰化/脫乙酰化已成為肝再生過程中細胞增殖和細胞身份的關鍵調節劑。 在大鼠中，HAT 活性的兩個峰值與 C-MYC 激活和 DNA 合成之前同時發生。在發育和再生過程中，HAT p300 與 C/EBP 形成復合物，激活誘導肝細胞定向并抑制細胞增殖的基因。HDAC 參與染色質濃縮，與染色質重塑劑形成阻遏復合物以阻斷轉錄。PH 后，大量 HDAC 活性增加，組蛋白 H3K9ac 水平降低，通過藥理學或遺傳手段操縱 HDAC 活性會損害肝細胞增殖和肝再生。需要注意的是，HDAC 的廣泛靶標庫使得很難破譯哪些靶標負責再生以及哪些靶標可以促進異常增殖和癌癥。
最近對小鼠和斑馬魚的研究支持并擴展了乙酰化/脫乙酰化事件在肝再生中的關鍵作用。溴結構域和末端基序 (BET) 蛋白識別組蛋白尾部的乙酰化賴氨酸殘基，并參與轉錄調節因子的募集。小鼠過量服用乙酰氨基酚或PH后給予 JQ1（溴結構域蛋白 BET 家族抑制劑）會顯著損害肝細胞增殖，并減少 E2F2 靶基因和 Cyclin-D1 的激活。這是由于 BET 抑制劑阻斷了 Brd4 占據超級增強子，從而減少了靶基因的轉錄。使用廣譜 HDAC 抑制劑在 BEC 驅動的肝再生斑馬魚和小鼠模型中顯示出類似的結果。在這些模型中，肝細胞增殖受到損害，BECs 產生祖細胞，這些祖細胞轉分化為肝細胞以重新填充肝臟（圖 1）。Hdac1 抑制劑處理損害肝臟再生，通過上調 Sox9b 阻止 LPCs 分化為肝細胞，并通過上調 Cdk8（Notch 信號傳導的負調節基因）阻止 LPCs 分化為 BECs。 此外，Kdm1a （一種與 Hdac1 形成抑制復合物的賴氨酸脫甲基酶）活性的喪失會導致 LPC 衍生的分化肝細胞和 BECs 中出現相同的缺陷。 這些研究共同表明了HAT 和 HDAC 在肝再生中的重要性和保守作用。
