内源性逆转录病毒在小鼠胚胎干细胞中的转录抑制机制

Endogenous retrovirus (ERV), a class of transposable elements, is an important component of mammalian genome. Most of ERVs are slienced in cells, but some of them are activated in diseased cells, such as cancer cells. Embryonic stem cells (ES cells) could silence different groups of ERVs, as well as exogenous retrovirus. Therefore, studying the mechanism of ERV silencing in ES cells will facilitate us to further understand the maintenance of ES cell genome stability, mechanism used by retrovirus to remain dormant, and the development of cancer. ERVs are classified into three groups: ERV I, ERV II and ERV III. There is still lack of knowledge about how transcriptional regulators repress different ERV families in ES cells and how this leads to distinct epigenetic silencing mechanisms. Therefore, we propose to (1) carry out a small-scale shRNA screen to identify transcriptional repressors of ERV I/II or ERV III in mouse ES cells, (2) study the role of candidate repressors in regulating ES cell pluripotency maintenance and pluripotency dissolution, (3) probe the mechanism of candidate factor in regulating downstream ERVs' and genes' expression, (4) characterize the protein interaction networks of candidate factors and eventually reveal the mechanistic differences and similarities between repression of ERV I/II and ERV III in ES cells.

转座元件中的内源性逆转录病毒（ERV）是哺乳动物基因组的重要组成部分。大多数ERV的表达在细胞中被沉默，但少数ERV却在病变的细胞中被激活。胚胎干细胞（ES细胞）可以沉默多种ERV和逆转录病毒，因此在ES细胞中研究ERV的沉默机制可以使我们进一步了解干细胞基因组稳定性的维持、逆转录病毒的潜伏与疾病的发展机理。ES细胞抑制ERV I/II与ERV III的表观机制不同。我们对ES细胞如何通过转录调控不同ERV家族的沉默，从而导致不同的表观遗传抑制机理却知之甚少。因此在此项目中，我们将进行小规模的shRNA筛选以找到在小鼠ES细胞中分别调控ERV I/II与ERV III的关键转录调控因子，研究候选因子对ES细胞的分化潜能及多能性的退出的影响，探究候选因子对ERV及下游基因表达的调控机制，鉴定候选因子所处的蛋白调控网络，并最终揭示ERV I/II与ERV III在ES细胞中表达抑制机制。

内源性逆转录病毒（ERV）起源于亿万年前的病毒基因整合到宿主基因组中，从而成为宿主基因组的一部分。在进化过程中大多数ERV被沉默以防止它们干扰宿主基因组稳定。胚胎干细胞（ESC）有沉默外源逆转录病毒和ERV的独特能力，因此在ESC中研究ERV的沉默可以使我们深入了解干细胞中基因组稳定性维持的机制。ERV分为三类:ERV I, ERV II与ERV III。现已知ERV I/II与ERV III的表观调控方式不同。我们对ESC如何通过不同的表观遗传机理控制不同ERV家族的沉默仍缺乏认识。因此在本项目中，我们通过小规模的shRNA筛选鉴定了组蛋白甲基化修饰酶Kdm2a作为ERV II的转录调控因子，而组蛋白伴侣分子Ssrp1作为ERV III的关键转录调控因子。之后，我们针对这两个ERV的转录调控因子开展了功能与机制研究。我们发现Kdm2a敲除的ESC，其多能性维持与分化能力均不受影响。基因表达谱分析表明Kdm2a调节生殖发育与细胞增殖基因群。更重要的是，Kdm2a也调控ERV II家族成员IAPEy的转录。Kdm2a能直接结合IAPEy位点并调控其上H3K36me2介导的表达抑制。在ERV III家族的转录抑制方面，我们发现Ssrp1抑制ERV III家族成员MERVL的转录。Ssrp1敲除不影响ESC的多能性维持与分化。Ssrp1敲除细胞高表达二细胞胚胎标志基因Zscan4。Ssrp1敲除后的转录组分析表明Ssrp1抑制分化基因的表达并激活细胞增殖相关基因的表达。Ssrp1的ChIP-seq结果表明Ssrp1可以直接结合MERVL。有趣的是，Ssrp1通常参与转录激活并与表达激活相关表观遗传标记共定位，但我们发现Ssrp1也可以抑制ERV的表达。蛋白免疫共沉淀联合质谱分析表明Ssrp1可以与介导H3K9me3的组蛋白甲基化复合物互作，而且H3K9me3也在MERVL上富集，这意味着Ssrp1可能通过H3K9me3来抑制MERVL的转录。总而言之，本项目首次发现了Kdm2a通过去H3K36me2来调控ERV II家族的转录，而Ssrp1则可能通过H3K9me3来抑制ERV III家族的转录。此项目揭示了胚胎干细胞中不同ERV家族在转录抑制机制上的差异。有效沉默ERV对维持基因组稳定性十分重要，我们的发现对胚胎干细胞中基因组稳定性维持的机制解析具有理论意义。