FOXO3调控脐血干细胞红系分化的系统组学数据挖掘

Erythroid cells have important physiological functions. The abnormal globin genes specifically expressed in erythroid cells can results in genetically blood diseases such as thalassemia, unstable hemoglobin disease, familial polycythemia and hemoglobin M disease (methemoglobinemia). It is of theoretical and clinical importance to study the regulation mechanisms of erythroid differentiation. FOX (Forkhead box) proteins are a family of transcription factors that play an important role in the embryonic development, cell cycle, carbohydrate and fatty acid metabolism, longevity, and immune response. It has been found that FOXO3 is involved in erythroid differentiation. However, the detailed molecular mechanisms of FOXO3 regulating erythroid differentiation is not yet clear. We have proved that FOXO3 plays an important role in regulating the expression of globin genes in primitive erytheopoiesis. In this study, we will induce the erythropoiesis from CD34+ hemopoietic stem cells with FOXO3 knockdown and study the molecular mechanism of FOXO3 in erythroid differentiation by systemically integrating the transcriptome and other public omic data.

红细胞具有重要的生理功能，在红细胞中特异表达的珠蛋白结构和功能异常将导致地中海贫血等遗传性血液系统疾病。研究红细胞分化的调控机制具有重要理论意义和临床价值。叉头框(Fox)蛋白是一类重要的转录因子，功能涉及胚胎发育、细胞周期调控、糖类和脂类代谢、生物老化、免疫调节等重要生物学过程。FOXO3已被发现参与红细胞分化，但是其调控红细胞分化的分子机制尚未清楚。本项目组前期工作已证明FOXO3在红细胞分化发育早期调控血红蛋白基因表达，本项目中拟在人原代造血干细胞中抑制FOXO3的表达并诱导分化至红细胞，通过整合转录组数据以及公共数据库中其他组学数据系统研究FOXO3调控红系分化的分子网络系统及分子机制。

红细胞分化和发育是一个极其复杂和精密的生物学过程，珠蛋白在红细胞中特异表达，并且在发育的不同时期表达不同的基因家族成员珠蛋白，其结构和功能异常将导致地中海贫血等遗传性血液系统疾病，因此研究红系分化发育的调控机制具有重要的科学理论意义和临床应用价值。.通过前期建立的红系分化模型的转录组数据、表观组数据整合分析预测 FOXO3 在红系分化和发育中发挥着重要的作用，在此基础上，通过体内外功能实验进一步验证了FOXO3在红系分化发育中的作用及其可能的作用机制。在人红系白血病细胞 TF-1 细胞中敲除 FOXO3 能够导致 ε-、 γ-和 β-珠蛋白表达的显著下降，引起 GATA1 和KLF1 表达的下降， 说明 FOXO3 能够参与珠蛋白的表达，促进红系的分化。 通过 Ingenuity Pathways Analysis (IPA)等生物信息学分析，预测 BTG1 可能是 FOXO3 作用的目标蛋白，并通过双报告基因检测系统证明 FOXO3 通过与 BTG1 上游序列结合，从而促进 BTG1 的转录，进而影响珠蛋白的表达。此外， 结合 miRNA-Seq 的数据，我们还筛选预测了可能抑制 FOXO3 表达的 miRNA，并通过体外实验验证 miR-200b 能够作用于 FOXO3 的 3’UTR，从而抑制其表达。.斑马鱼的造血过程及造血区域与高等脊椎动物高度保守，是研究造血系统功能的最佳模式生物。通过 Foxo3b MO 在斑马鱼中敲除Foxo3b 的表达， 能够降低珠蛋白和转录因子 Gata1 的表达，同时还可以降低血红蛋白的含量，从而导致红细胞发育异常。这些结果与在人源细胞系 K562 和 TF-1 中的敲除FOXO3 的表达表型相类似。因此我们推测 FOXO3/Foxo3b 在脊椎动物的红系分化和发育中发挥着重要的作用。.此外，我们建立了从脐血来源的造血干细胞（HSC）经过体外诱导，分选出红系分化中的四个阶段（P2、P3、P4、P5），以及造血干细胞（HSC）和成熟红细胞（RBC）的体系。利用该体系进行了转录组测序，比较了编码基因、miRNA和lncRNA的动态表达趋势，探究三种RNA表达上的相似点和不同点，并通过表达相关性的计算，预测潜在的RNA调控关系，最终构建出在红系末端发育中控制红细胞成熟的调控网络。以上研究内容丰富了红系分化体系及调控机制理论。