决定ES和iPS细胞全能性的关键因素及表观遗传调控机制

诱导多能干细胞(iPS)的诞生是生命科学的重要里程碑，2009年iPS四倍体互补小鼠的培育成功是iPS研究的重大突破，首次证实iPS与ES细胞一样具有发育全能性。但ES与iPS细胞全能性的维持机制是什么？是否有本质差别？这些问题都还不清楚。本项目拟结合表观遗传组学方法、高通量技术和生物信息学分析手段，绘制ES、能发育成四倍体互补小鼠iPS和不能发育成四倍体互补小鼠iPS细胞的全基因组高分辨率mRNA、microRNA、DNA甲基化、组蛋白修饰图谱。比较分析这些表观遗传信息在不同干细胞中的分布规律与异同点，鉴定干细胞全能性所必需的表观遗传信息，以及显著差异的表观遗传信息可用来区分具有发育全能性与不具有发育全能性干细胞的分子标记；并分析这些表观遗传信息之间的关系，构建干细胞全能性维持中的表观遗传调控网络。这些结果的获得将有助于筛选具有发育全能性的iPS细胞，促进iPS这一技术在临床中的应用。

本项目主要研究细胞重编程中精确的核小体重塑，与细胞分化中核小体重塑与染色质结构变化的表观遗传调控机制。基本完成了项目的预定目标。代表性成果有，1.体细胞重编程中发生核小体重塑。但重建的核小体图谱与胚胎干细胞的有多大相似程度并不清楚。我们利用高通量测序技术，绘制分别由内、中、外胚层细胞诱导的小鼠iPS细胞与胚胎干细胞的全基因组单核小体图谱与基因表达谱。分析发现这些细胞系的基因表达谱高度相似。全能性细胞（iPSC与ESC）之间全基因组的核小体占有也高度相似，但全能性细胞与小鼠胚胎成纤维细胞之间全基因组的核小体占有呈现显著差别。转录起始位点(TSS)附近的核小体分布对基因的转录调控有重要作用。全能性细胞系在TSS附近的核小体分布高度相似无法区分。但表达基因与沉默基因TSS附近的核小体分布呈现截然不同的模式，对于激活的基因TSS附近有典型的-1、NDR（核小体缺失区）、+1、+2、+3等核小体分布，而沉默的基因没有这种核小体分布，并且TSS被一个核小体占有而被屏蔽。这一模式在所有细胞系中一样。此外，全能性因子（如Oct4, Sox2, Nanog等）、其它与全能性密切关联的重要转录因子、绝缘子CTCF等不同类型的转录因子与核小体形成各自特异的空间关系，参与到重编程过程中全能性的维持。重编程前组织特异性表达的基因在诱导后的iPSC中表达没有差异，核小体分布也是如此。在重编程所得的iPSC中不携带能反映其父代组织来源的残留基因表达信息与核小体占有信息。这些结果表明重编程过程中核小体分布被精确重塑，从而与转录因子形成各自独特的空间关系，达到精确调控基因转录表达，维持全能性。该结果暗示核小体是否被精确重塑到与胚胎干细胞的没有差异可以作为潜在的检验iPS细胞质量的一个标准。为iPS细胞在再生医学与临床细胞替代疗法提供理论依据。2.染色质重塑酶是影响核小体定位的一个重要因素。通过敲降编码果蝇染色质重塑酶Brahma的Brm基因，探索核小体重排和染色质结构变化在胚胎正常和缺陷发育中的作用机制。结果表明，Brm基因敲降导致全基因组核小体占有程度的变化，并使一部分核小体发生了位置偏移或缺失/重建。尤其是基因5’端大量区域核小体串发生变化，影响这些区域上的基因表达，而这些基因在发育与形态发生上有重要功能。3. 研究人胚胎干细胞向神经外胚层细胞分化中的核小体重塑、组蛋白修饰等的表观遗传调控机制。