人胚胎干细胞向中内胚层分化起始阶段组蛋白甲基化修饰的动态变化及调控机制

It has been well documented that extracellular signals and epigenetics play critical roles in self-renewal and differentiation of stem cells. However, many questions remain. For instance, how do the extracellular signals regulate cell fate determination through modulating epigenetic changes? The project attempts to explore the dynamic change of histone methylation during mesendoderm differentiation of human embryonic stem cells and the underlying mechanism. By employing multi-disciplinal techniques, we will focus on histone methylation especially H3K27me3 during the early stage of mesendoderm differentiation induced by Activin A and Wnt3. We will confirm the down-regulation of H3K27me3 and investigate whether this down-regulation is modulated by Smad2/3. Finally, how the epigenetic change is associated with the coordinated regulation of ME genes by Activin and Wnt. We hope this study will shed light on efficacious differentiation of human embryonic stem cells and cell fate determination of early embryos.

很多研究证明细胞外信号和细胞内表观遗传变化在干细胞自我更新和分化中起着重要作用，但对干细胞分化的表观遗传学变化与外界信号之间的相互关系研究仍有很多空白，例如在细胞分化早期细胞外信号如何通过影响表观遗传变化而调控细胞命运？我们前期研究表明Activin/Nodal信号和Wnt信号是调控人胚胎干细胞向中内胚层分化的关键信号通路，并发现Activin会引起组蛋白甲基化修饰H3K27me3的下调。本项目将着重探讨在Activin和Wnt信号诱导的中内胚层分化起始阶段组蛋白甲基化修饰水平的变化。希望从基因转录和蛋白表达及关键因子DNA募集方面揭示组蛋白甲基化修饰的变化及其分子调控机制，进而建立中内胚层分化起始阶段胞外信号通路与表观遗传微环境变化之间的联系。本项目的完成将为提高干细胞定向分化效率提供分子理论基础，进一步加深对早期胚胎发育细胞命运决定的理解。

本项目通过建立高效的人胚胎干细胞向中内胚层分化系统，利用染色质免疫共沉淀结合高通量测序，我们发现H3K27me3水平在中内胚层分化起始阶段有明显下调，并且这一下调促进Activin和Wnt信号在转录水平协同促进胚胎干细胞中内胚层分化。在分子机制上，我们发现Activin信号通过调控多梳抑制蛋白复合体（PRC2）蛋白稳定性从而导致分化早期H3K27me3的下调。具体调控机制为Activin通过其下游效应因子Smad2，下调EZH2、EED、SUZ12蛋白水平，进而分解PRC2蛋白复合体，使其从染色质DNA脱落，失去活性，从而诱导中内胚层分化早期H3K27me3水平的下调。进一步，Activin与Wnt通过其下游效应因子(Smad2/β-catenin)在基因转录水平协同激活中内胚层标志性基因的表达，促进人胚胎干细胞向中内胚层分化。. 综上所述，本项目研究通过对人胚胎干细胞中内胚层分化早期H3K27me3水平、细胞外信号通路相互关系和H3K27me3水平与细胞外信号相互关系的阐释，提出胚胎干细胞中内胚层分化早期的两阶段调控模式：首先降低细胞内H3K27me3的水平；其次激活细胞内中内胚层特异性转录调控网络。本项研究揭示了中内胚层分化早期表观遗传学变化以及相关的一些分子机制，进一步为胚胎干细胞定向分化及早期胚胎发育研究提供了新的视角。同时本研究建立了细胞外信号与细胞内组蛋白甲基化修饰间的直接分子生物学相互关系，为研究基因表达调控，再生医学相关研究、应用提供了可借鉴的理论依据。