PCM1在斑马鱼胚胎前脑神经发生中的作用及分子机制

Neural stem cells keep dividing for both proliferation and differentiation, and eventually develop into central nervous system. The in vivo molecular mechanisms underlying the regulation of neurogenesis in an embryonic vertebrate brain remain elusive. Our preliminary results showed that the number of neurons in embryonic zebrafish forebrain significantly decreased, when the pericentriolar material gene pcm1 is knocked down, which indicates that PCM1 probably plays an important role in embryonic neurogenesis. Further studies reveal that PCM1 might regulate neurogenesis through modulating the asymmetric distribution of Nothch signaling by interaction with Mib. The present proposal will explore the role and molecular mechanisms of PCM1 in the neurogenesis of embryonic zebrafish forebrain. The accomplishment of this project will expand the knowledge about the etiology of neurodevelopmental diseases, neurodegenerative diseases, nerve injury and regeneration, as well as neural tumors, which will lay the foundation for developing preventive and therapeutic strategies for these diseases.

神经干细胞不断分裂，进行增殖和分化，发育形成中枢神经系统。目前对于脊椎动物胚胎大脑神经发生体内调控的分子机理了解不足。我们的前期研究表明，敲降中心体外周物质pcm1基因后，斑马鱼胚胎大脑神经元数目显著减少，提示PCM1在胚胎神经发生中起重要作用。进一步研究表明，PCM1可能通过与Mib互作，影响Notch信号通路的不对称分布，从而调控神经发生。本项目拟在前期研究的基础上，以发育中的斑马鱼胚胎前脑为模型，综合运用活体实时成像分析、胚胎脑室电转、细胞移植、镶嵌遗传学分析、转基因、CRISPR-Cas9基因敲除、流式细胞分选、RNA-Seq、免疫共沉淀结合质谱分析等技术手段，深入研究PCM1在胚胎前脑神经发生中的作用及其分子机制。本项目的完成，能够加深对于神经发育障碍性疾病、神经退行性疾病、神经损伤与再生、以及神经肿瘤发病机理的理解，并为探索有效的预防和治疗手段提供科学依据。

神经干细胞不对称分裂驱动的神经发生，对于脊椎动物神经系统的发育至关重要，但当前对其体内调控的分子机制了解不足。本项目在前期研究的基础上，以发育中的斑马鱼胚胎前脑为对象，系统性深入研究了Pcm1在斑马鱼胚胎前脑神经发生中的作用及其分子机制。本项目解析了Pcm1在斑马鱼胚胎中的表达及其在分裂期的放射状胶质细胞（Radial glial cells, RGs）的亚细胞定位；应用反义敲降及创建pcm1基因突变体斑马鱼系，采用镶嵌遗传学分析等技术手段，揭示了Pcm1能够细胞自主性地调控RGs不对称分裂及神经发生；解析了Pcm1与Notch通路分子、细胞极性调控因子Par3的共存及时空伴随，揭示了Pcm1可能通过调控Notch通路分子（Mib、Delta）及Notch下游基因的不对称分布而调控RGs不对称分裂及神经发生；应用RNA-seq研究了pcm1敲除后，显著性差异表达的基因，并阐明了Pcm1可能通过调控Dopla而在RGs不对称分裂及神经发生中起作用；应用Co-IP联合质谱分析，解析了Pcm1的互作蛋白，并阐明了Dlic1、Dld、Par3是Pcm1的互作蛋白，共同参与了对斑马鱼胚胎前脑RGs不对称分裂及神经发生的调控。此外，本项目联合应用高分辨率空间转录组测序和单细胞转录组测序，解析了斑马鱼胚胎尤其是神经系统早期发育的时空转录组图谱，明确了Pcm1的时空表达，并且为进一步系统性阐明斑马鱼胚胎神经发生的机制奠定了基础。本项目的成果加深了对脊椎动物神经干细胞不对称分裂及神经发生调控机制的理解，能够促进对神经发育障碍、神经退行性疾病、神经损伤与再生等疾病的认识，并为探索有效的预防和治疗手段提供科学依据。本课题的研究成果，包括所创建的突变体斑马鱼系等工具，以及构建的斑马鱼胚胎早期发育时空转录组图谱，为本领域的研究提供了重要资源，也为本研究方向的进一步深入打下坚实基础。