组蛋白去甲基化酶在胚胎干细胞神经分化过程中的功能与机制研究

早期胚胎神经发育和干细胞神经定向分化过程是细胞外信号刺激和细胞内表观遗传调控以及基因的遗传信息三者共同作用的结果。早期的研究工作主要集中在细胞外信号分子如BMP、Wnt、FGF等对神经诱导的调控作用,特别是对BMP信号通路在胚胎早期发育过程中功能研究较多。然而，人们对于BMP信号通路在细胞核内的作用机制知之甚少，尤其是BMP信号与表观遗传调控网络之间的相互调控关系，以及表观遗传调控在神经诱导过程中功能和机制仍不清楚。近几年新发现的组蛋白去甲基化酶在组蛋白甲基化修饰的动态平衡和基因表达调控方面有重要作用，为人们研究胚胎早期发育及胚胎干细胞神经定向分化过程中的表观遗传调控开辟了新领域、提供了新思路。在本项目申请中我们主要以胚胎干细胞的体外神经分化和早期鸡胚神经诱导作为研究模型，深入研究BMP信号通路对组蛋白去甲基化酶的调控和组蛋白去甲基化酶在干细胞神经定向分化过程中的功能及其表观遗传调控机制。

早期胚胎神经发育是脊椎动物发育过程中最复杂、次序最严谨的事件之一。在该发育过程中，具有多种分化潜能的上胚层细胞在相关调控因子作用下被逐步决定到神经命运上来。目前，人们对表观遗传调控在早期神经发育和胚胎干细胞神经分化中的功能和机制，尤其是表观遗传调控网络和外部信号转导通路之间的相互调控关系知之甚少。组蛋白甲基化修饰是表观遗传修饰中最为复杂的一种，可以发生在赖氨酸和精氨酸上，在调控染色体的动态结构及其转录功能上发挥重要作用。在本研究工作中，我们发现了一个新的含有JmjC 结构域的蛋白质KIAA1718 (KDM7A)，该蛋白是一个双功能组蛋白去甲基化酶，能够特异地去除组蛋白3尾部第9位和第27位赖氨酸上的二甲基 (H3K9me2，H3K27me2)。进一步的研究发现，在所有已知的组蛋白去甲基化酶中KDM7A的表达在胚胎干细胞神经分化过程中上调最为明显。通过慢病毒介导的RNA干扰和基因过表达技术，我们对KDM7A在胚胎干细胞神经分化中的功能进行了深入分析，发现KDM7A具有促进胚胎干细胞神经分化的功能。详细的分子机制研究显示，KDM7A能够直接结合到信号分子Fgf4基因的核心启动子区域，通过对H3K9me2和H3K27me2的去甲基化修饰，正向调控Fgf4基因的转录水平。而抑制KDM7A 表达所引起的胚胎干细胞神经分化受阻现象可被FGF4的过表达所逆转，表明FGF4作为KDM7A重要下游靶基因介导了KDM7A在胚胎干细胞神经分化中的功能。为研究KDM7A在体内神经系统发育过程中的功能，我们利用早期鸡胚系统对KDM7A的表达模式进行考察，发现KDM7A主要在早期鸡胚原条的上胚层细胞中表达。进一步的功能研究发现，KDM7A对于早期鸡胚神经板的生成具有正向调控作用，FGF4同样介导了KDM7A在鸡胚神经诱导过程中的功能。早期胚胎神经发育和干细胞神经定向分化过程是细胞外信号刺激和细胞内表观遗传调控以及基因的遗传信息三者共同作用的结果。早期的研究工作主要集中在细胞外信号分子，特别是BMP信号通路对胚胎早期发育过程的调控作用。然而，人们对于表观遗传调控在神经诱导过程中功能和作用机制仍不清楚。本项目的完成将会有助于人们了解组蛋白去甲基化酶在早期胚胎发育和胚胎干细胞定向分化过程中的重要功能及其表观遗传调控机制，并将为胚胎干细胞的神经定向分化和神经系统疾病的细胞治疗打下坚实的理论基础。