4. 干细胞与前体细胞
——高山流水
由于PRC1将谱系决定因子（lineage determination factor）基因组织在一起，维持它们待表达的状态，使基因调控网络（gene regulatory network）滞留在某个阶段，Hedgehog-Bmi1途径可以维持干细胞静态，使干细胞通过细胞质极性分裂持续产生前体细胞（progenitor），形成高山流水，即静态干细胞是上游源头，前体细胞和分化的功能细胞是下游。
一旦特定的谱系决定因子的表达被确立，它会将其下游的功能基因组织在一起。开始时，它受Rb和HDAC的抑制，当接受到Wnt分化信号后，会启动Myc的表达，Myc替换HDAC，功能基因表达，形成成熟的功能细胞。
谱系决定因子同样是染色质高级结构的组织者。与PRC2调控Hox基因簇和PRC1调控谱系决定因子基因不同，谱系决定因子调控的是行使具体功能的蓝领基因，并不属于基因调控网络。
Hox基因簇的多米诺式表达需要PRC2（催化组蛋白H3K27me3甲基化），MLL（催化组蛋白H3K4me3甲基化），RBP2（催化组蛋白H3K4me3去甲基化）。谱系决定因子基因的依次表达需要PRC1（催化组蛋白H2AK119ub1泛素化）。 功能基因的表达也需要组蛋白修饰酶的参与，只是另外一套：功能基因的持久抑制需要HP1（催化组蛋白H3K9me3甲基化）；短暂抑制需要HDAC（催化组蛋白去乙酰化）；表达需要SWI/SNF（染色质重塑复合物，即chromatin remodeler）。
PRC1将谱系决定因子基因组织在一起形成的结构，叫PcG (Polycomb Group) body。功能基因的抑制和激活也在细胞核的特定位置发生：抑制主要在核纤层关联域（LADs, lamin-associated domains）；激活在转录工厂（transcription factory）。
干细胞的自我更新与分化
静态干细胞和前体细胞通过细胞质极性分裂产生两个细胞，一个继续维持原态，一个将要走向分化。 
Asymmetric Stem Cell Division: Precision for Robustness –Cell stem cell 11: 461 (2012)
在染色体的极性分裂过程中，需要原来的和新合成的组蛋白(H3-H4)2，kinetochore，中心体的极性分布，它们在PRC2调控Hox基因簇的多米诺式表达中起重要作用。在静态干细胞分裂产生前体细胞，及前体细胞分裂产生功能细胞的过程中同样涉及极性分裂，但更多的是细胞质的极性分裂，需要aPKC，Numb等蛋白的极性分布，aPKC分布到未分化的细胞中，Numb分布到将分化的细胞中。
信号间的平衡
干细胞静态维持，自我更新，分化，取决于Shh，Growth Factor（GF，即EGF和FGF），Wnt，TGFβ，miRNA间的博弈。Shh激活Bmi1，维持干细胞静态，静态干细胞通过极性分裂，产生两个细胞，一个维持静态，另一个将要分化。在将要分化的细胞中，GF使它自我复制，Wnt激活Myc，Myc替换HDAC，使其分化，TGFβ促使细胞迁移，miRNA协调GF，Wnt和TGFβ间的平衡。
信号分子通过基因调控网络或转录因子使细胞产生特定的行为：shh通过Bmi1维持干细胞静态；Growth Factor通过E2F控制细胞分裂；Wnt通过Myc使前体细胞分化成功能细胞；TGFβ通过Snail或Twist控制EMT （Epithelial-Mesenchymal Transition）和迁移。
Mechanisms and functions of Hedgehog signalling across the metazoa –Nature Reviews Genetics 12: 393 (2011)
在肠上皮组织中，Transit-amplifying cells（即前体细胞）产生Shh信号分子，维持干细胞静态。
FGF regulates TGF-β signaling and endothelial-to-mesenchymal transition via control of let-7 miRNA expression –Cell reports 2: 1684 (2012)
miR-99a/100-125b transcription regulate hematopoietic stem and progenitor cell homeostasis by shifting the balance between TGFβ and wnt signaling –Genes & Development 28: 858 (2014)
Let-7调节FGF和TGFβ间的平衡，miR-99a/100-125b调控Wnt和TGFβ间的平衡。
转录工厂
当干细胞分化成功能细胞后，PRC2调控Hox基因簇，非基因簇同源域蛋白的表达，及PRC1调控谱系决定因子逐渐退出舞台，除最终被选定表达的谱系决定因子基因外，其它与发育相关的转录因子基因被DNA甲基化抑制。 The polycomb group protein Ezh2 directly controls DNA methylation –Nature 439: 871 (2006)
谱系决定因子直接决定细胞的分化命运，它将下游的功能基因组装在一起，形成转录工厂（transcription factory）。这些功能基因编码行使具体功能的蓝领蛋白，而基因调控网络是指转录因子间的相互激活和抑制，所以谱系决定因子介导形成的染色质高级结构不属于基因调控网络，而是基因调控网络输出的最终结果。
Transcription factories: gene expression in unions? –Nature reviews genetics 10: 457 (2009)
Preferential associations between co-regulated genes reveal a transcriptional interactome in erythroid cell –Nature genetics 42: 53 (2010)
功能相关的基因被谱系决定因子组织在一起，由RNA聚合酶II统一转录，形成转录工厂。
核纤层关联域
Schematic of subnuclear localization of A (active) and B (inactive) compartments. B compartments (blue) are spatially localized to the nuclear periphery and surrounding the nucleoli, while A compartments (red) are more interior.
Mechanisms and functions of chromosome compartmentalization –Trends in biochemical sciences 45: 385 (2020)
细胞核内，处于表达状态的基因位于内部，而不表达的基因围绕着核膜或核仁排列，即核纤层关联域（LADs, lamin-associated domains）或核仁关联域（NADs, nucleolar-associated domains）。
基因表达的区域富含RNA聚合酶II （pol II）和Bromodomain proteins （Bromodomain蛋白是染色质重塑复合物SWI/SNF的成员），形成转录工厂，主要负责功能基因的表达。位于LADs和NADs的基因含HP1（heterochromatin protein 1，可结合H3K9位点甲基化的组蛋白），主要是未表达的功能基因。受polycomb调控的基因位于细胞核内部，主要是受PRC2调控Hox基因簇，及受PRC1调控的谱系决定因子（lineage determination factor）基因。
Charting histone modifications and the functional organization of mammalian genomes –Nature reviews genetics 12: 7 (2011)
H3K4位点的甲基化修饰集中在转录工厂（TRF，transcription factory），H3K27位点的甲基化修饰集中在Pc（PcG body），H3K9位点的甲基化修饰集中在核纤层关联域（LADs, lamin-associated domains）。
RB，HDAC，Myc
在核纤层关联域（LADs, lamin-associated domains）中，RB和HDAC会参与功能基因的抑制，但转录因子可以使基因离开抑制区而表达，所以RB和HDAC有点像PcG body中的Bmi1，是暂时抑制基因表达的，只是RB和HDAC调控的是功能基因，Bmi1调控的是谱系决定因子基因。
谱系决定因子的转录功能受RB和HDAC的调控，HDAC催化组蛋白去乙酰化修饰，抑制基因转录，Myc替换HDAC后，启动基因表达。
Establishment of H3K9-methylated heterochromatin and its functions in tissue differentiation and maintenance –Nature reviews molecular cell biology 23: 623 (2022)
核纤层关联域通过两种机制抑制功能基因，一种是通过HP1（heterochromatin protein 1）结合H3K9me2，H3K9me3修饰的组蛋白，可以较稳定的抑制功能基因；另一种是通过RB和HDAC将功能基因暂时锚定在核纤层关联域，转录因子可以将基因激活，类似PcG body中，Bmi1将谱系决定因子基因暂时链接在一起。
Chromatin-bound RB targets promoters, enhancers, and CTCF-bound loci and is redistributed by cell-cycle progression –Molecular Cell 82: 3333 (2022)
RB不仅能通过E2F1调控细胞分裂，还能参与谱系决定因子调控细胞分化的过程。
MYC in mammalian epidermis: how can an oncogene stimulate differentiation? –Nature reviews Cancer 8:234 (2008)
The opposing transcriptional functions of sin3a and c-myc are required to maintain tissue homeostasis –Nature cell biology 13: 1395 (2011)
c-myc regulates transcriptional pause release –Cell 141: 432 (2010)
Class I histone deacetylases sequentially interact with MyoD and pRb during skeletal myogenesis （MyoD是谱系决定因子，使细胞分化成肌肉细胞。） –Molecular cell 8: 885 (2001)
HDAC抑制谱系决定因子的转录功能。在干细胞分化成功能细胞的过程中，Myc替换掉HDAC，谱系决定因子启动功能基因的表达。Myc是Wnt信号的下游，所以Wnt信号主要促进细胞走向分化。
三类启动子
三类启动子的基因包括：一是发育转录因子基因（Developmental transcription factors），主要是受PRC2调控的Hox基因簇，非基因簇的同源域基因，及受PRC1调控的谱系决定因子基因；二是使细胞走向最终分化的功能基因（terminally differentiated cell-specific genes），就是谱系决定因子激活的蓝领蛋白基因；三是持家基因（housekeeping genes），就是类似actin的组成型表达的基因。
Eukaryotic core promoters and the functional basis of transcription initiation –Nature reviews molecular cell biology 19: 621 (2018)
CpG island promoters is SWI/SNF-independent, whereas most promoters with SWI/SNF-dependent activation lack CpG islands.（SWI/SNF是染色质重塑复合物，即chromatin remodeler） Metazoan promoters: emerging characteristics and insights into transcriptional regulation –Nature reviews genetics 13: 233 (2012)
功能基因的启动子，不含GpC islands，需要SWI/SNF来协助表达；受PRC2和PRC1调控的发育转录因子基因的启动子，含GpC islands，不需要SWI/SNF协助表达。