Msx1在体内获得靶标基因特异性的分子机制

The homeoprotein Msx1 involved in normal limb development and that also contribute to limb defects if altered during development. Deciphering Msx1 target genespecificity will help us to understand the molecular events that contribute to limb defects. Msx1 recruit PRC2 complex to the periphery and redistributes the Polycomb H3K27me3 mark to the periphery in the developing limb (Dev Cell 21: 575-588, 2011). My studies have led to the hypothesis that target gene specificity in vivo represents the dynamic interplay of: selective recognition and regulation of target genes; anddifferential regulation in appropriate spatial and temporal embryonic contexts. These aspects of target gene specificity will be investigated the following: investigate molecular bases of target gene recognition by Msx1 in vivo. Investigate the mechanisms by which Msx1 regulates target gene expression in vivo. Investigate the differential regulation of Msx1 target genes in limb regeneration. This study will provide the insight molecular mechanisms of how Msx1 achieve target gene specificity in vivo. The findings will help us to understand the molecular roles of Msx1 during limb development as well as regeneration, andto understand the molecular events that contribute to limb defects, but also provide a useful research modelfor the study of other transcription factors.

同源异型框蛋白Msx1在肢体正常发育中起着重要的作用，其异常表达造成肢体出生缺陷。解析Msx1在肢体发育中的靶标基因特异性将有助于我们了解因其异常造成肢体缺陷的分子机制。申请人研究表明 Msx1在肢体发育过程中招募PRC2复合物到细胞核核周并重新分配H3K27me3到细胞核核周。因此申请人对Msx1在体内如何获得靶标基因特异性提出如下假设：Msx1选择性的识别、调控靶标基因，以及胚胎发育中不同时间和空间上对靶标基因的差异调控。本项目拟进行以下几方面研究：Msx1靶标基因体内识别的分子基础；Msx1体内调控靶标基因的分子机制；以及在肢体发育和再生中Msx1靶标基因的差异调控。该研究将阐明Msx1在体内获得靶标基因特异性的分子机制。研究结果将帮助人们了解Msx1在肢体发育和再生中的精细分子作用，并为了解肢体出生缺陷的分子机制提供坚实的理论基础，同时也为研究其他转录调控因子提供了有益的研究模式。

本项目究系统地应用基因组学、蛋白质组学、分子生物学、生物化学、细胞生物学、表观遗传学、小鼠模型等技术手段确定了Msx1靶标基因体内识别的分子基；解析了Msx1体内调控靶标基因的分子机制；阐明了Msx1在体内不同的时间和空间上对靶标基因的差异调控。首先，我们鉴定了12个Msx1体内靶标基因，其中10个抑制基因，2个活化基因。进一步，在Msx1体内调控靶标基因的分子机制方面，我们发现细胞核内膜蛋白Emerin介导小鼠成肌细胞中Msx1的细胞核核周定位以及Msx1招募Ezh2并重新分布H3K27me3到细胞核核周来抑制靶标基因的表达从而抑制肌肉分化。最后，阐明了Msx1在体内展示其在时间和空间上靶标基因特异性的分子机制。在肢体发育和再生中我们系统阐明了Msx1对靶标基因的差异调控。在肢体发育过程中，在肢体侧板中胚层中特异地敲除Msx基因（Prx1Cre介导的），导致小鼠肢体发育缺陷，在机制上Msx通过促进Erk的磷酸化来促进干细胞的增殖，从而影响干细胞的成骨分化。抑制磷酸化的Erk后干细胞增殖显著降低，细胞成骨能力下降。而在肢体再生过程中，在肌肉细胞中特异地敲除Msx1基因（Myf5Cre介导的），导致肢体再生缺陷，在机制上Msx1通过抑制肌肉细胞分化相关基因来抑制肌肉细胞分化，促进细胞增殖相关基因的表达使肌肉细胞回到多功能前体细胞状态从而促进肢体再生。该研究阐明Msx1在体内获得靶标基因特异性的分子机制。研究结果帮助人们了解Msx1在肢体发育和再生中的精细分子作用，并为了解肢体出生缺陷的分子机制提供坚实的理论基础，同时也为研究其他转录调控因子提供了有益的研究模式。