新转录因子p44BL以b-catenin非依赖方式调控Wnt通路和干细胞自我更新的机理研究

b-catenin is the downstream effector of Wnt signaling pathway, which plays a crucial role in stem cells renewal. Classically, TCFs family transcriptional factors employ the transcriptional domain of b-catenin to initiate transcription of a variety of stem cell harbored genes. However, recent studies suggested that b-catenin utilizes a transcription-independent manner to maintain the pluripotency of stem cell. Now, it is coming to be an interesting question how TCFs regulate gene transcription in stem cells. In the preliminary studies, we discovered a novel nuclear protein p44BL, which harbors gene transcriptional activity and stimulates gene transcription together with TCFs in a b-catenin-independent manner. Meanwhile, p44BL is expressed in stem cells and greatly increases the transcription of Nanog, Oct-4 and Sox-2. Thus p44BL might be a co-activator of TCFs family transcriptional factors and a potential regulator of stem cell pluripotency. In this project, we hope to reveal the regulation mechanism and biological function of TCFs-p44BL in the Wnt signaling pathway and stem cell renewal, and we also hope these findings could benefit iPS studies in the future.

Wnt通路转录因子b-catenin蛋白是维持干细胞全能性的关键分子，传统观点认为TCFs利用b-catenin的转录活性起始了多种干细胞特异性基因的表达。然而最新研究表明b-catenin的转录活性并不参与干细胞全能性的维持，因此TCFs如何起始基因转录成为干细胞研究中的一个令人感兴趣的问题。申请人发现一个新的细胞核蛋白p44BL，能够不依赖b-catenin的存在与TCFs协同促进基因转录； 同时，p44BL表达于干细胞中，并显著促进干细胞特异性因子Nanog、Oct-4和Sox-2的表达。这表明p44BL是潜在的TCFs家族蛋白的转录共激活子和干细胞全能性的调控者。因此申请人希望通过本项目的研究，揭示TCFs-p44BL这一全新转录激活模式在Wnt信号通路和干细胞自我更新中的调控作用，为进一步利用p44bl基因进行诱导多功能干细胞的研究提供分子基础。

包括胚胎干细胞、成体干细胞和肿瘤干细胞在内的多种类型干细胞受到经典WNT信号通路的严格调控；作为该信号通路已知的唯一转录因子，b-catenin的转录活性是诸多干细胞自我更新和分化调控的关键。本项目新发现的转录因子，Proline rich 22基因（PRR22；本项目中的基因代号p44BL）能够同LEF1/TCF家族转录因子相互作用，并替代b-catenin促进经典WNT信号通路靶基因的转录，其自身亦通过结合转录起始复合物中的核心分子TBP，介导RNA聚合酶II的转录激活。PRR22基因在多种干细胞中表达，尤其是在发育中雄性生殖干细胞中。通过Cas9/CRISPR技术，项目负责人构建了Prr22基因敲除小鼠。虽然PRR22在胚胎干细胞中表达， PRR22的过表达也能促进干细胞自我更新分子NANOG和POU5F1的基因转录，但Prr22的基因敲除基本上不影响胚胎干细胞的自我更新。但有趣的是，Prr22的基因敲除造成严重的雄性不育。免疫组织化学分析揭示雄性生殖干细胞的发育过程被严重干扰，并最终导致雄性生殖细胞的完全缺失。虽然b-catenin基因敲除并不影响雄性配子细胞的发育调控，但WNT配体分子广泛表达于生殖干细胞和发育中单倍体精子细胞中，并以b-catenin非依赖的方式促进精子细胞的成熟，这表明在生殖干细胞分化发育过程中同样存在b-catenin非依赖的信号转导模式。PRR22不仅能够替代b-catenin在WNT信号通路中的转录活性，而且还调控WNT2B，WNT3和WNT3A等多种经典WNT配体分子在雄性生殖细胞中的表达。更重要的是，我们发现，PRR22能够调控WNT受体Frizzled在单倍体精子细胞内的定位，并参与WNT配体和受体间的相互作用，从而揭示了生殖干细胞中经典WNT信号通路的替代性信号传递机制，并阐明了雄性生殖干细胞细胞发育中的关键信号调控模式。