转录因子Pou3f1在小鼠早期胚胎神经命运决定中的功能和机制研究

Early vertebrate development is a process by which unrestricted pluripotent stem cells progressively make lineage fate choices. Three germ layers including ectoderm, mesoderm, and endoderm, are generated during gastrulation. Ectoderm is then specified to the neural fate and develops into neuroectoderm. Previous studies have indicated that neural fate specification from ectoderm takes place autonomously in the absence of inhibitory signals such as bone morphogenetic proteins (BMPs) and Wnt. In addition to extrinsic signaling pathways, neuroectoderm specification is also controlled by the sequential activation of intrinsic neural fate-promoting factors. Our published study shows that Pou3f1 is an essential factor for neural differentiation of embryonic stem cells (ESCs). However, it remains unclear about the function and mechanism of Pou3f1 in early mouse embryo. In our previous study, Pou3f1 knock out mouse have been constructed. Here, we propose to analysis the phenotype of Pou3f1 knock out mouse, then using of the ESC neural differentiation assay to search the co-factor and downstream target genes of Pou3f1. Further analysis of mouse embryo-electroporation and embryo-culture studies will help to establish the molecular model of Pou3f1, which hopefully contribute to elucidation of the regulatory network and research method in early neural development.

脊椎动物早期发育中，外、中、内三胚层经过原肠运动初步形成。外胚层前部细胞进一步发育为神经外胚层。已有研究发现，外胚层细胞能够在缺失外源抑制信号如BMPs和Wnt信号的情况下，自主选择神经命运。但除了外源神经抑制信号外，神经外胚层分化还需要内源神经命运促进因子的参与。我们已发表研究显示，Pou3f1是小鼠胚胎干细胞神经分化的必需因子。然而，Pou3f1在小鼠胚胎发育中的功能及Pou3f1发挥促神经功能的详细机制还不清楚。本项目前期工作已经构建了Pou3f1敲除的小鼠。在此基础上，本项目旨在分析Pou3f1敲除小鼠在早期神经发育中的表型，并运用多能干细胞神经分化模型寻找Pou3f1发挥促神经作用的辅助因子及下游基因，进一步通过胚胎电转及胚胎培养等体内实验验证，最终构建Pou3f1发挥促神经作用的分子模型。本项目的研究成果将有利于建立更加科学完善的早期胚胎神经发育中重要因子的调控网络和研究方法。

多能干细胞是生物个体生长发育的重要基础和前提。最近研究发现，多能干细胞，包括胚胎干细胞和上胚层干细胞（EpiSCs）等细胞系并不是均一群体，而是由不同细胞亚群组成。然而，关于上胚层干细胞的异质性是如何维持的？上胚层干细胞中基因的异质性表达是否介导了对外源信号的不同响应性等科学问题至今尚未很好解答。我们研究组研究发现，在上胚层干细胞系中存在Brachyury （T）基因表达阴性及阳性两个不同细胞群体，并且这两个细胞群体能够互相转变。上胚层干细胞的不同细胞亚群呈现出不同的分化潜能。其中，T阴性细胞群体更倾向于外胚层分化，而T阳性细胞群体具有更强的中内胚层分化潜能。进一步的机制研究发现，T阴性及T阳性细胞对BMP信号的响应性不同， 其中T阴性细胞通过Id1基因响应BMP信号，向外胚层分化；T阳性细胞通过Snail基因响应BMP信号，向中内胚层分化。这项研究成果揭示了多潜能上胚层干细胞是异质性的细胞群体，并且不同细胞亚群对外源信号具有不同响应性。上述发现为上胚层干细胞向三胚层细胞的定向分化及其在再生医学中的应用提供了坚实的理论基础。