Foxg1调控胚胎大脑皮层神经干细胞发育的分子机制研究

The development of mammalian cerebral cortex is a highly organized process involving temporal and spatial specification of diverse cell types and establishment of functional neural circuitry. The different types of neurons and glia in the developing cerebral cortex are originated from neural stem cells and produced in a specific temporal order. The sequential production of different types of neurons and glia is mainly regulated by an intrinsic timing program, but can also be affected by niche signals. Foxg1, a member of forkhead transcription factor family, plays an important role during forebrain development, regulating multiple processes including cell survival, proliferation, differentiation and migration. However, it is still not clear how Foxg1 act on neural stem cells and their progeny to elicit different functions. Using molecular and biochemical approaches in combination with bioinformatics analysis, we aim to systematically identify the target genes of Foxg1 in specific cell populations at different stage during neural stem cell development, and determine functional interaction between Foxg1 and its candidate target genes using in vivo and in vitro cell and tissue analysis. This will help unveil the molecular mechanism of transcriptional regulation by Foxg1 and determine how dynamic Foxg1 transcriptome regulates different processes of neural stem cell development. As it is known that abnormal Foxg1 expression is associated with Rett Syndrome, a neurodevelopmental disorder, this project will lead to understanding of the disease etiology and provide new insight for development novel therapeutic approaches.

哺乳动物大脑皮层发育涉及到不同类型神经细胞的特化和功能性神经回路的建立，是一个在时空上高度有序的过程。大脑皮层不同类型的神经元和神经胶质细胞来源于脑室区的神经干细胞, 在皮层发育过程中按照既定的发育次序生成。Forkhead转录因子家族成员Foxg1是特异性表达在前脑中的重要调控因子，其基因表达缺陷与神经系统发育性疾病Rett综合症有紧密的联系。Foxg1影响细胞存活、增殖、有序性分化和迁移多个方面，但其作用机制并不清楚。本项目利用高通量Chip-seq结合生物信息学分析，对Foxg1在神经干细胞发育过程中的靶基因进行系统鉴定，阐述其调控基因转录的机理，构建以Foxg1为中心的基因转录网络，并通过体内外实验，探究该网络对神经干细胞增殖分化功能的影响。本项目对于认识神经干细胞的发育调控机制和疾病的发生机理具有重要的意义，将为研究大脑发育性疾病的治疗手段提供新思路。

哺乳动物大脑皮层的形成是一个由多种细胞类型参与，时空上高度有序，并在一定程度上受外界因素影响的极为精确的生物学过程。神经干细胞作为大脑皮层神经发生的基础，一方面通过自我更新维持自身细胞类群，同时分化产生不同类型的神经元和胶质细胞，构成大脑皮层的六个层次。神经干细胞的分化潜能随着皮层发育过程的进行逐渐发生变化。发育早期的神经干细胞可以产生深层神经元和浅层神经元，发育后期的神经干细胞却只能产生晚期神经元而不能产生早期神经元。如此有序的神经发生在体外培养分化的神经干细胞中同样存在，提示神经干细胞存在固有的时间调节调控机制，决定神经干细胞的谱系发育和分化潜能。然而，关于这一调控机制的分子基础却知之甚少。Foxg1是前脑特异性表达的转录因子，对前脑发育有重要作用。我们与同行之前的工作表明，Foxg1对神经干细胞的自我更新和分化潜能起调控作用。并且Foxg1对神经干细胞的调控作用表现出明显的发育阶段特异性，在不同的发育阶段对Foxg1的表达进行干预会产生不同的表型。为了阐明Foxg1调控胚胎神经干细胞的分子机制，在本项研究中，我们综合利用多种研究手段，确定了Foxg1在各个胚胎发育时期在神经干细胞中的表达。而后系统地鉴定了在胚胎神经发育的关键时间点上，Foxg1在神经干细胞基因组上的分布，对Foxg1结合的DNA区段进行了分类,描绘了Foxg1在神经干细胞发育过程中在基因组上的动态图谱；测定了对应时期神经干细胞的基因表达谱，为推断特定基因表达和Foxg1与基因结合之间的相关性以及Foxg1对结合基因可能的转录调控功能打下基础。我们通过对Foxg1在基因组上结合基序的分析，并结合体外细胞系模型中过表达Foxg1进行蛋白免疫共沉淀的方式，鉴定出数个在神经发育中发挥重要功能并可能与Foxg1在体内存在直接相互作用的蛋白质。我们的研究使得Foxg1成为首个在大脑发育中神经干细胞内在染色质上动态变化被报道的转录因子，不仅为进一步阐明Foxg1通过在不同发育阶段调控特定基因表达实现对神经干细胞分化潜能动态变化的调控提供重要依据，也为研究转录因子调控干细胞动态变化树立了新的范式。结合对Foxg1相互作用蛋白的鉴定，我们初步揭示了以Foxg1为中心的调控神经干细胞发育的分子网络，有助于进一步探究Foxg1在大脑发育以及相关神经系统疾病中的作用，推动对大脑发育的认识和对疾病诊疗手段的进步。