线虫pig-1基因调控Q神经母细胞不对称分裂的研究

细胞不对称分裂特指一个母细胞产生两个不同命运的子细胞的分裂方式，是个体发育以及成体组织维持和再生的细胞学基础，其异常可造成严重的发育缺陷或癌变。当前关于不对称分裂的细胞学研究大多受限于体外或固定时间点的观察。为此，申请人选择线虫胚胎后发育的Q神经母细胞为研究对象，在前期工作中建立了基于转盘激光共聚焦显微镜的活体原位时序成像技术，首次在细胞器和分子水平记录了Q细胞不对称分裂的全过程,揭示了一种全新而且保守的由肌球蛋白极性分布决定的细胞不对称分裂机制，并发现蛋白激酶PIG-1参与其中。基于已有进展，本课题将继续结合显微成像技术、遗传学和生化分析等方法研究PIG-1在 Q细胞不对称分裂中的功能，寻找其下游靶基因以及上游调控信号，探索它们的协同作用关系。本课题的研究预期加深对于细胞不对称分裂和神经发育等重要生物学过程的理解，并且对干细胞和再生医学提供重要的启示。

在个体发育、成体组织维持以及细胞再生等基本生物学过程中，母细胞分裂经常产生两个命运不同的子细胞，这种分裂方式称为不对称细胞分裂，是关键的细胞生物学事件，其异常可造成严重的发育缺陷或重大病变。本课题选择线虫胚胎后发育的Q神经前体细胞分裂为模型研究不对称分裂机制及其调控网络。在前期工作中，通过活体荧光显微成像技术记录Q细胞不对称分裂的全过程，发现蛋白激酶PIG-1可以影响分裂不对称性，特别是可以调控Q.a细胞中一种全新而且保守的由肌球蛋白极性分布决定的细胞不对称分裂机制。为寻找PIG-1上游调控信号和下游效应分子，课题组靶向可以类似pig-1突变产生多余神经元的基因突变体，开展了大规模的正向遗传筛选，反向遗传筛选和候选因子筛选。最终我们找到了两个转录因子HAM-1和LIN-32，分处与PIG-1相同和平行的信号通路中，共同调控Q.a细胞的不对称分裂。其中HAM-1蛋白可以直接结合pig-1基因启动子区域，调节PIG-1激酶的表达水平，影响肌球蛋白NMY-2的极性分布。筛选中我们还克隆了调控Q细胞发育其他关键步骤的因子，包括通过影响细胞周期退出和细胞命运分化从而造成特定神经元数目增多的转录因子EGL-44/EGL-46和EGL-13等等。可能存在很多不对称分裂关键基因，例如NMY-2，PAR蛋白等，其突变造成胚胎无法发育而致死。对于这些基因，遗传筛选无法鉴定出它们。为了绕过胚胎发育的壁垒，我们建立了基于TALEN/CRISPR-Cas9系统的线虫胚后条件性基因编辑技术，可以时空特异性在Q细胞里对特定基因进行编辑敲除。我们已经成功对一系列胚胎致死基因实现了条件性敲除，并评估了它们在Q细胞或者其他胚后发育系统中的功能。利用此技术，我们正在对相关致死基因进行系统性筛选，希望可以找到更多不对称细胞分裂的调控因子。本课题的研究拓展和加深了对于细胞不对称分裂及其他神经发育重要生物学过程的理解，可能对癌症防治和再生医学发展提供启示。