IRX2在人胚干细胞向神经外胚层分化过程中的作用及机制

The stepwise cell fate transition during early development is orchestrated by sequential activation/inactivation of lineage-determining transcription factors such as Pax6 and Sox 1, yet it is still unknown how the nurual differntiation is initiated. We have compared the neural differentiaiton of different lines of human pluripotent stem cells and identified an important transcription factor IRX2 positively correlated to the neural differentiation postency of the cell line. IRX2 was expessed outside of the neucleus before the neural differeniation which indicates that IRX2 might be an key player of human neural differentiation. We will utilize the well established neural differentiation system to investigate the expression pattern of IRX2 during neural differentiation, verify its function through over-expression and knock down assays. We will also study how the translocation of IRX2 affect the neural differntiation, and figure out how IRX2 coordinate with other transcription factors such as Pax6 to regulate the neural differentiation.

神经系统分化受到PAX6和SOX1等转录因子调控，但神经分化如何启动，即从多能性状态启动神经分化程序的机制目前尚不清楚。在研究多能干细胞神经分化潜能时，我们发现不同细胞系之间神经分化效率差异明显。通过比较神经分化效率较高与低的人胚胎干细胞系在未分化时期的基因表达谱，我们发现一个重要的转录因子，IRX2与神经分化正相关。IRX2在多能性状态时即在胞浆表达，其从胞浆入核的时间正处于神经分化的关键时期，即早期神经上皮时期，提示IRX2有可能参与了早期神经分化，其胞内定位可能直接影响神经系统命运决定。为研究IRX2的作用，我们结合在早期胚胎中的发现，用已建立的人胚干细胞神经定向分化系统，研究其在神经分化过程中的表达模式。通过诱导表达、敲降实验验证IRX2在神经分化中的作用。根据其出入核的时期，我们将进一步研究IRX2的相互作用蛋白及出入核机制，揭示其在早期神经分化过中的作用。

干细胞能够定向分化为特定神经细胞类型，为研究神经发育相关基因的功能及神经退行性疾病的治疗提供了新的思路。本项目利用人胚干细胞神经定向分化体系，采用生物学研究手段，阐明IRX2在神经分化过程中的作用；通过对神经干细胞和由神经干细胞重编程而来的诱导性多能干细胞（iPSCs）进行筛选，发现上皮-间充质转化（EMT）转录因子ZEB1在人胚胎干细胞（hESCs）中不表达，而在向神经上皮、神经前体细胞至神经元的分化过程中的表达逐渐增加。分别用CRISPR/Cas9和tet-on诱导过表达的系统构建了ZEB1敲除和诱导过表达的人胚干细胞系，并进行神经方向分化，研究ZEB1在人的神经系统发育中的作用，探索其作用机制。研究结果表明，在神经前体向神经元分化阶段，多数ZEB1敲除的细胞在贴壁培养1周后死亡，说明ZEB1在神经元转化过程中发挥着不可或缺的作用，在神经分化过程中过表达ZEB1能够加速神经分化，促进神经元的成熟。将分化得到的细胞移植到新生免疫缺陷小鼠侧脑室，与对照组相比，ZEB1组细胞的过度增殖比例较少，说明在体内也更为成熟，体内移植安全性较高。通过检测分化得到的细胞类型，过表达ZEB1能够得到高比例的vGLUT1阳性的兴奋性神经元。以上研究结果丰富了神经系统发育相关转录因子的研究内容，为人多能性干细胞转化为特定神经细胞类型提供了新的策略，对神经组织损伤的修复和神经退行性疾病的治疗有着重要的意义。