转录因子KLFs调控干细胞红系分化的分子网络机制

Currently, directional differentiation of stem cells is the hot spot in the field of regenerative medicine and stem cell research, and erythroid differentiation of hematopoietic stem cells is one of the important topics. Previous studies have indicated that the majority of KLFs family members participate in erythroid differentiation of stem cells. However, the mechanisms by which KLF family network regulates erythroid differentiation of hematopoietic stem cells are still poorly understood. Extensive studies have demonstrated KLF1 to be an erythroid differentiation factor, whereas previous work in our lab identified KLF9 and KLF15 as potential novel erythroid differentiation factors. Preliminary studies indicate that the molecular network comprising of KLF9, KLF15 and KLF1 potentially plays critical roles in erythroid differentiation of hematopoietic stem cells. In this project, we intend to employ hematopoietic stem cells (CD34+CD38-) from human cord blood, which can differentiate and develop into erythrocytes, as the primary cell model. We plan to investigate the effects of manipulated expression of these three KLFs (knockdown and overexpression) on erythropoiesis, in order to demonstrate the presence of KLF network during erythropoiesis. Through integrating the transcriptomics and epigenetics high-through sequencing data, we intend to build up KLF regulatory network for erythroid differentiation of hematopoietic stem cells. Finally, we will explore the molecular mechanism by which the constructed KLF network regulates erythroid differentiation by performing biological experiments using cell model.

干细胞定向分化是当前干细胞与再生医学领域的研究热点，而造血干细胞的红系分化是其中重要的课题之一。在以往研究工作中，作为重要转录因子的KLFs家族多个成员已被证实参与干细胞的红系分化。然而，在造血干细胞定向红系分化过程中，KLFs家族多因子的分子网络调控机制尚不清楚。KLF1是已经被广泛研究的红系分化因子；KLF9、KLF15是项目组前期工作中新确定的潜在调控红系分化的重要因子。初步研究提示，KLF9、KLF15和KLF1参与构成的分子网络在造血干细胞定向红系分化过程中具有重要作用。本研究将利用人脐带血来源的造血干细胞定向红系分化的细胞模型，分析3种KLFs的异常表达对造血干细胞定向红系分化的影响，初步明确在红系分化过程中存在KLFs分子作用网络。再通过对高通量转录组学和表观基因组学数据的整合分析，构建以KLFs为核心的红系分化调控网络。结合生物功能实验，探讨该网络调控红系分化的分子机制。

红细胞分化发育是当前再生医学领域的研究热点。在以往研究工作中，作为重要转录因子的KLFs 家族多个成员已被证实参与干细胞的红系分化。然而，在红系分化过程中，KLFs 家族多因子的分子网络调控机制尚不清楚。. 本研究主要完成了以下四方面工作。一是通过对脐带血来源的造血干细胞及其定向红系诱导分化后所获得的不同发育阶段的红系细胞的转录组数据进行了分析，进一步鉴定了KLF家族中3 个潜在的红系分化调控因子KLF1、KLF9 和KLF15；二是利用造血干细胞结合K562红系诱导分化细胞模型对上述 3 个KLF家族因子组成的分子网络进行功能验证，并利用K562细胞确定了其中对红系分化表型具有显著影响的 2 个KLF基因KLF1和KLF9；三是考虑到Klf1的调控红细胞分化发育的作用已报道，本研究利用斑马鱼模型探究了新鉴定的Klf9因子调控红系分化的生物学功能是否具有物种保守性；四是对KLFs分子网络调控红系分化分子机制进行分析。通过对稳定过表达和敲低KLF1和KLF9基因的K562细胞系进行转录组测序和数据分析，通过对差异表达基因分析，筛选可能由KLF1+KLF9网络调控进而影响红系分化表型的分子机制，包括对下游靶基因和信号通路的分析。. 本项目研究成果提示我们，通过基因操作调高KLF1和KLF9表达水平可有效促进红细胞晚期发育进程，这对于功能红细胞再生研究中提高成人型珠蛋白表达水平具有重要意义。同时，该研究也提示我们，通过调控该网络促进HBB基因表达，可潜在应用于β-地中海贫血的细胞治疗策略。