Wnt 信号通路调控乳腺干细胞多能性维持的表观遗传机制

The Self-renewal and differentiation of adult stem cells are dependent on extracellular niche factors and intracellular transcription regulation and epigenetic regulation. Our previous research demonstrated that Wnts are the self-renewal factor for mammary stem cells. Furthermore, we established an in vitro system in which mammary stem cells can be cultured and expanded for many generations in the presence of purified Wnt3A proteins. Mammary gland stem cell cultured in this system retains full development potential and are able to reconstitute a new organ in transplantation. However, how Wnts maintain multipotency of mammary gland stem cells remain elusive. This proposal is to investigate the mechanism in which Wnt signaling maintains adult stem cell self-renewal through epigenetic regulation. We aim to indentify the downstream targets of the Wnt signaling pathway that are epigenetically regulated in mammary stem cells and moreover their encoded proteins functions. We hope to identify new players critical for mammary development and tumorigenesis, and to gain knowledge for regenerative medicine and cancer research.

成体干细胞的自我更新和定向分化是由细胞外微环境信号刺激和细胞内转录调控以及表观遗传调控三者共同作用的结果。在前期的研究工作中我们发现微环境中的Wnt信号分子决定并促进乳腺干细胞的自我更新。随后我们进一步利用纯化的Wnt3A蛋白成功地建立了体外培养和扩增乳腺干细胞的实验体系。乳腺干细胞在这个体系里经过体外的长期培养后依然保持着完整的发育潜能，通过体内移植实验能够形成功能完整的新器官。然而乳腺干细胞接受Wnt信号刺激后维持干细胞多能性的分子机制仍不清楚。本申请项目将利用小鼠乳腺干细胞体外培养模型和体内移植实验，通过RNA profiling 和Chromatin IP (ChIP)等方法寻找被表观遗传调控和Wnt信号通路操纵的下游基因及其编码蛋白的作用方式，深入探索表观遗传和Wnt信号通路在调控成体干细胞自我更新及维持发育潜能等过程中的详细作用机理。

成体干细胞的自我更新和定向分化是由细胞外微环境信号刺激和细胞内转录调控以及表观遗传调控三者共同作用的结果。在前期的研究工作中我们发现微环境中的Wnt信号分子决定并促进乳腺干细胞的自我更新。进一步利用纯化的Wnt3A蛋白我们成功建立了体外培养和扩增乳腺干细胞的实验体系。乳腺干细胞在这个体系里经过长期培养后依然保持着完整的发育潜能，通过体内移植实验能够形成功能完整的新器官。然而乳腺干细胞接受Wnt信号刺激后维持干细胞多能性的分子机制仍不清楚。在本项目的研究中，我们利用小鼠乳腺干细胞体外培养模型和体内移植实验，通过RNA profiling 和Chromatin IP (ChIP)等方法寻找参与调控乳腺干细胞自我更新和干性维持的Wnt信号分子、Wnt信号通路操纵的下游基因；对Wnt信号分子调控乳腺干细胞自我更新的机制进行了考察；对Wnt下游基因的表观遗传调控情况及其编码蛋白的作用方式进行了探索。在以上的研究内容中取得了取得了两个重要结果：一，我们发现Wnt信号分子Rspo1是一个新的激素介导因子， 它与另一个激素介导因子Wnt4一起协同作用调控乳腺干细胞的自我更新；二，我们发现蛋白C受体 Procr 可以作为乳腺干细胞的表面分子标记，在乳腺基底层细胞中Procr表达的细胞可以再生成一个有功能的乳腺。在第一个重要结果中有如下关键数据：乳腺管腔细胞分泌的Wnt4和Rspo1协同作用激活乳腺基底细胞中的经典Wnt信号通路、Wnt4和Rspo1的共同刺激能够维持乳腺基底干细胞的自我更新、同时敲除Wnt4和Rspo1会使乳腺干细胞失去重建乳腺的能力、Wnt4和Rspo1的表达受雌性激素和孕激素的调控。在第二个重要结果中有如下关键数据：在乳腺基底细胞中Procr是一个新的Wnt信号通路调控的靶基因、Procr表达的乳腺基底细胞是多能性的乳腺干细胞处在乳腺细胞谱系的最顶端、Procr表达的乳腺基底细胞表达一些EMT相关的基因。在这两个重要结果中，我们发现了影响乳腺干细胞自我更新的微环境因子、探索了他们受激素调控的分子机制、建立了一个利用激素体外扩增乳腺干细胞的方法、从而使体外扩增乳腺干细胞可以更好的普及；同时我们找到了乳腺干细胞的表面分子标记、从而可以分选到纯的乳腺干细胞、使研究乳腺干细胞的特性得到了实现、也使研究乳腺癌的发生机理具备了条件，具有重要的基础研究意义和应用研究价值。