胚胎干细胞分化及细胞重编程过程中组蛋白H2A去泛素化机制的研究

Monoubiquitination of H2A plays an essential role in chromatin remodeling and gene expression of embryonic stem cells. However, the underlying mechanism by which H2A is deubiquitinated remains unknown. In our preliminary data, we found that knockdown of deubiquitinase USP21 in mESCs results in the upregulation of H2A monoubiquitination at K119 and mESC differentiation. Moreover, comparing to wild-type MEFs, the efficiency of reprogramming USP21 knockout MEFs to ES cells was dramatically decreased. These data indicate that USP21 is essential for mESC stemness maintainace and reprogramming. Here, we plan to further study the function and molecular mechanism of USP21 regulating H2A deubiquitination, chromatin remodeling, self-renewal of mESCs and reprogramming MEFs to mESCs. This study will uncover the regulatory mechanism of H2A deubiquitination and USP21 function in mESC, reprogramming and epigenetics.

H2A组蛋白的泛素化修饰对胚胎干细胞的染色质结构调节及基因表达调控都具有非常重要的作用。但是，在干细胞干性维持、分化及细胞重编程的过程中H2A的泛素化修饰是如何被精细地调控的仍然不清楚。在前期的研究中，我们发现在小鼠胚胎干细胞中抑制去泛素化酶USP21的表达能够显著上调H2AK119位的泛素化，并且促进小鼠胚胎干细胞分化。 在USP21敲除的MEF细胞中，诱导其形成iPSC的效率也明显下调。这些结果提示USP21在胚胎干细胞干性维持及细胞重编程过程中起着重要的作用。在此基础上，本申请拟继续深入研究USP21去泛素化酶活性对H2A泛素化的调控、染色质结构的调控以及对小鼠胚胎干细胞自我更新和维持其未分化状态的下游分子机制，并探讨其在体细胞重编程过程中对表观遗传机制的调控机制。本项目的实施将有助于进一步理解去泛素化酶USP21的生物功能及参与表观遗传调控机制的研究。

在本项目的实施过程中，我们发现在小鼠胚胎干细胞分化过程中，去泛素化酶USP21受到转录水平和转录后水平的调控。在转录水平，USP21在分化过程中其mRNA表达水平下调，该过程受到到LIF/STAT3信号通路的调控。此外，我们还发现在ES细胞分化的过程中，FGF4/ERK信号通路能够使USP21的S539位发生磷酸化，进而削弱与Nanog的相互作用，促进ES细胞的分化。之前已有研究报道，Nanog能与H2AX发生相互作用，并且这两者的相互作用能够维持ES细胞的自我更新和分化的能力。在肝脏再生过程中，USP21能够是H2A的K119位发生去泛素化，进而上调H3K4me3，调控下游基因的表达，促进肝脏的再生能力。在我们的研究过程中发现在小鼠的ES细胞中，Nanog能够与USP21发生相互作用，并将USP21招募至染色体的特定位置，进而使H2A的K119位发生去泛素化，上调H3K4me3，通过调控下游基因的表达，进而维持ES的自我更新能力。我们的ChIP-Seq的结果也证实了这一结论。项目总体上实施顺利，而且在项目的实施过程中，又有许多新的发现，为将来的进一步研究奠定了良好的基础。