PRC2-PRC1稳定性依赖的互作模式调控始发态胚胎干细胞多能性的机制研究

Polycomb repressive complexes (PRCs), including PRC1 and PRC2, regulate pluripotency of naive mouse embryonic stem cells (ESCs) through histone modifications mediated by non-canonical PRC1 and PRC2-canonical PRC1. We found that deletion of PRC2 maintains self-renewal state in naive ESCs (including mouse ESCs), but causes pluripotency loss in primed ESC (including human ESCs). However, molecular mechanism responsible for how PRC2 maintain pluripotency in primed ESCs remains unknown. Our preliminary data suggested that loss of PRC2 induces degradation of PRC1 components in primed, not naive ESCs. So we hypothesize that PRC2 and PRC1 form a super interdependent complex, rather than two stability-independent complexes in previous opinion, to regulate pluripotency in primed ESCs. In this project, we will validate this hypothesis and mechanism in detail. Firstly, we will analyze interdependent role in protein stability of complexes and interaction model of core components between PRC1 and PRC2 in primed and naive ESCs. Moreover, we will explore molecular mechanism responsible for how interdependent interaction model of PRC2-PRC1 complex regulate pluripotency in primed human ESCs. Resolving these questions will elucidate molecular mechanism responsible for how PRCs regulate embryonic stem cell fate decisions from another perspective.

PRC1和PRC2复合物主要通过非经典PRC1和PRC2-经典PRC1的途径介导组蛋白修饰调控原始态（naive）小鼠胚胎干细胞多能性。我们发现，PRC2在维持始发态（primed）而不是原始态胚胎干细胞多能性中的关键作用，但其确切机制并不明确。预实验表明，在始发态而非原始态胚胎干细胞中缺失PRC2导致PRC1复合物降解，且缺失PRC1导致始发态多能性的退出。由此推测，PRC2与PRC1形成稳定性依赖的超级复合物调控始发态胚胎干细胞多能性，而非两个相对独立的复合物。在本项目中，我们拟详细研究这一假说和机制，包括：1）在不同状态胚胎干细胞中PRC2与PRC1复合物稳定性的相互依赖性和它们关键组分的相互作用模式；2）研究PRC2-PRC1稳定性依赖的互作模式调控始发态人胚胎干细胞多能性机制。这些问题的解决，将为阐明PRC复合物调控胚胎干细胞命运转变的机制提供新的视角。

功能依赖的多梳抑制复合物PRC1和PRC2介导抑制型组蛋白修饰调控基因表达，进而精准调控细胞命运。本项目在前期发现PRC2复合物的缺失导致始发态胚胎干细胞丧失多能性，且PRC1复合物也发生降解。由此假设，PRC2和PRC1不仅仅是功能依赖的，也存在结构依赖性。本项目在此基础上，紧密围绕项目研究内容，对人多能干细胞中是否存在PRC1与PRC2复合物的互作模式和PRCs复合物调控人多能干细胞多能性进行了深入研究。本项目主要研究成果有：1）通过可诱导敲除技术细胞系确认PRC2的缺失并不直接导致PRC1复合物组分的降解；通过PRC1组分RNF2/RYBP的共沉淀-质谱联用明确PRC1与PRC2复合物不存在直接相互作用。这表明在人多能干细胞中PRC1和PRC2不存在结构依赖性。尽管PRC1与PRC2复合物不存在直接相互作用，但是我们也发现了PRC1酶活组分RNF2与RNA结合蛋白有互相作用。2）敲除非经典PRC1组分USP7导致人多能干细胞部分退出多能性；而敲除RNF2和RYBP互作蛋白ANP32A的人多能干细胞可维持正常多能性状态。3）发现了H3K27me3甲基转移酶EZH2的缺失导致人多能干细胞无法有效形成神经干细胞和神经亚类细胞；机制上，EZH2与SOX2协同特化人神经干细胞的产生。而缺失H3K27me3去甲基化酶KDM6s的人神经干细胞的增殖能力较差，且无法有效得到神经元和神经胶质细胞。4）构建和优化了始发态人多能干细胞转变成人滋养层干细胞的技术体系，并发现了EZH1/2的缺失可以促进人滋养层干细胞的获得。本项目的最终结果尽管与预定假设不完全一致，但是我们也基于本项目，探索了一些新的发现。这些工作成果为揭示polycomb蛋白家族调控人多能干细胞命运决定的作用及机制提供了很好的研究参考和科学依据。