转录因子SOX2在人胚胎干细胞和神经祖细胞中的重要作用及机制研究

SOX2 is a master regulator of both pluripotent embryonic stem cells (ESCs) and multipotent neural progenitor cells (NPCs). Despite the extensive studies on animal models, the function of SOX2 in human embryonic stem cells (hESCs ) and hESC-derived NPCs is largely unknown, and neither is a detailed understanding of how SOX2 controls these distinct cell populations. Our preliminary work discovered distinct functions of SOX2 in these two types of cells. In this project, we plan to carry out detailed functional study coupled with ChIP-seq，proteomic and transcriptome analysis of SOX2 for a comprehensive understanding of cell-type-specific SOX2 associated proteins as well as the respective regulatory networks of SOX2 in hESCs and NPCs. Such comparative analysis will help to reveal the underlying mechanism of SOX2's dynamic role in stem cell maintenance as well as neural differentiation and provide novel molecular insights into how human early neural development is dynamically regulated. The study also lays the ground work for hESC or iPSC neural differentiation and clinical application.

SOX2是参与胚胎干细胞特性维持的核心全能因子，同时也是神经干细胞特性维持的重要调节基因，对神经发育的多个阶段都至关重要。然而，目前关于SOX2的研究多集中于动物模型，而对于SOX2分别在人胚胎干细胞及其分化来的神经祖细胞中的功能及其调控机制尚不清楚。我们前期研究发现SOX2在这两种细胞中具有不同的功能。本项目旨在深入研究SOX2在两种细胞特性维持中的功能，并通过蛋白质谱、ChIP-seq、基因芯片等方法发现SOX2在这两种细胞中的相互作用蛋白组，结合基因和对转录组表达的影响，用生物信息学手段整合比较分析SOX2的细胞特异性相互作用蛋白以及调控网络。通过这一差异比较研究，我们有望揭示SOX2既维持干细胞特性又参与神经谱系分化的分子机制，加深我们对人早期神经发育过程的理解，从而更好地指导人胚胎干细胞或iPSC神经分化和临床应用。

细胞特异的重要转录因子能够通过特殊的基因调控网络在建立和维持细胞特性上发挥重要作用。同一个转录因子在不同的发育阶段和细胞类型中可能发挥不同的作用，然而它们是如何调控谱系特异性的发育网络的至今尚有许多不明之处。SOX2作为一个对胚胎干细胞和神经祖细胞以及其他多种干细胞的命运决定至关重要的先驱转录因子，关于SOX2如何在处于不同发育状态的干细胞中发挥功能的问题尚无明确的答案。目前对于SOX2的了解大多来自于对模式动物发育过程和小鼠细胞的研究，但是SOX2在人胚胎干细胞(human embryonic stem cells, hESCs)和神经祖细胞(human neural progenitor cells, hNPCs)中的功能和机制的研究甚少。本项目中，我们通过ChIP-seq, RNA-seq和蛋白质谱的方法，全面比较了SOX2在hESCs和hNPCs中的全基因组结合位点，转录调控网络和相互作用蛋白组，并结合实验证据对hESCs向神经分化的多个阶段中SOX2的功能进行了剖析。我们发现SOX2通过调控细胞特异和发育阶段特异的转录网络来发挥不同的功能。进一步实验表明，SOX2能够调控重要的信号通路并参与染色质调控来维持自我更新和促进神经分化。SOX2在hESCs中直接结合并正向调控与维持自我更新相关的基因，如Wnt信号通路的抑制剂SFRP2，同时SOX2又能够与组蛋白异型H2A.Z相互作用，进而与PRC2共同沉默发育相关基因表达，包括Wnt信号通路的运输蛋白WLS，两相结合从而在hESCs中抑制经典Wnt信号通路从而抑制非神经谱系发育。同时，SOX2在hESCs中预先结合一群促神经基因，包括Notch信号通路的成员，在hESCs神经分化时激活这些基因表达促进神经分化进行。在hNPCs中，SOX2能够正向调控FGF信号通路和Notch信号通路这两条维持NPCs自我更新的通路。在hNPCs向神经元分化时，SOX2也通过抑制经典Wnt信号通路来调节神经元分化。综上所述，本课题的研究为进一步研究组织特异性转录因子如何在不同细胞中发挥细胞特异性的功能来实现细胞命运决定提供了重要线索。SOX2在干细胞全能性，神经分化各个阶段以及人类疾病中具有广泛的功能，本课题研究所产生的丰富信息将大大促进揭示SOX2这一重要转录因子的多样性功能。