PCGF5介导的组蛋白H2A泛素化修饰对小鼠ES细胞多能性维持和神经分化的调控及其机理研究

PCGF5 is one member of PCGF family in PRC1 complexes. We and other scientists found that PCGF5 and other members of PCGF family competitively bind Ring1B protein, the core catalytic subunit of PRC1. However, regulation of PCGF5 in PRC1-mediated histone H2A ubiquitination and roles of PCGF5 during cell type conversion still remains unclear. Based on our recent research work, we found that Ring domain of PCGF5 interacts with Ring plus C-terminal domains of Ring1B through protein-protein interaction. In this study, by doing in vitro biochemical assay, in vivo gain of function and loss of function, we will study whether and how PCGF5 regulates histone H2A ubiquitination and the involved mechanisms,and investigate the effects of PcG protein Ring1B and RYBP on DNA binding of PCGF5 in the genome. At the same time, we will clarify the effects of PCGF5 knockout on pluripotency and differentiation of mouse embryonic stem cells into neural precursor cells and deeply explore the intrinsic molecular mechanisms of regulation. This study will help us to enrich and supplement the regulatory mechanisms of histone H2A ubiquitination,to fill the vacancies of PCGF5 biological functions during cell type conversion.

PCGF5属于PRC1复合物中PCGF家族的一个成员。我们和其他科学家发现PCGF5和PCGF家族的其它成员竞争结合PRC1核心催化亚基Ring1B。然而，PCGF5是否参与调控组蛋白H2A泛素化修饰以及其在细胞类型转换过程中的功能仍不清楚。本项目在近期研究工作的基础上,运用蛋白互作分析发现PCGF5的Ring结构域与Ring1B的Ring结构域及其C末端存在相互作用。本研究将运用体外生化实验、体内过表达和功能缺失等手段来研究PCGF5是否以及如何参与调控组蛋白H2A泛素化修饰及其机理；解析PcG蛋白Ring1B和RYBP对PCGF5的DNA结合位点分布的影响；同时，阐明缺失PCGF5对小鼠ES细胞多能性维持及其向神经前体细胞分化的影响，并对其调控的内在分子机理进行深入探索。该研究有助于丰富和补充组蛋白H2A泛素化的调控机制，对填补PCGF5在细胞类型转换中的作用等方面的空缺具有重要意义。

在筛选调节胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells, ESCs）向神经干细胞分化的表观遗传因子，我们发现多梳蛋白PCGF5在ESCs向神经外胚层分化过程中逐渐上调。PCGF5属于PRC1多梳蛋白家族复合物的一个亚基，我们发现能够促进PRC1核心亚基RING1B催化组蛋白H2AK119ub1修饰。PCGF5通过RING1B促进组蛋白H2AK119ub1水平，抑制SMAD2/TGF-β信号通路。在干细胞神经分化过程中，PCGF5不仅调节组蛋白H2AK119ub1和H3K27me3修饰（与基因沉默相关）在基因组上的分布；而且PCGF5的很大一部分结合位点39.5%（1024）与组蛋白H3K27ac和H3K4me3修饰（与基因激活相关）存在共定位，而仅有6.5%（170）的结合位点与抑制的修饰存在共定位。敲除PCGF5导致SMAD2/TGF-β在神经分化过程中被激活，而使组蛋白H2AK119ub1和H3K27me3这两种修饰在神经分化相关基因和神经干细胞特异基因上继续维持较高水平，导致干细胞神经分化受到抑制。这表明PCGF5在干细胞神经分化过程中发挥双重调节作用。PCGF5不仅作为SMAD2/TGF-β信号通路抑制因子，而且可以促使神经分化相关基因启动子区的组蛋白H2AK119ub1和H3K27me3这两种修饰的消减，促进干细胞神经分化。这项研究有助于加深我们对干细胞神经分化机理的理解，并为高效获取神经干细胞提供了一定的理论支持。除此之外，在该基金项目的支持下，我们揭示RNA解旋酶DDX5抑制体细胞重编程，并阐明其通过调节PRC1非经典亚基RYBP的双重功能进而调节干细胞多能性获得的机理；揭示不同方法来源的多能干细胞以及与其它状态细胞之间的表观遗传特征。以上研究丰富和补充了细胞命运转变的机理研究。在该项目的支持下，项目负责人以通讯作者身份在Cell Stem Cell, Nature Communications, Cell Death & Disease, Protein Cell, Scientific Reports共发表了5篇文章，并申报了1项发明专利。