KDM2B-PRC1复合物调控体细胞重编程及分化的机理研究

Polycomb repressive complex 1 (PRC1) plays essential roles in cell fate determination. Recent studies have found that the composition of mammalian PRC1 is particularly varied and complicated, however the functional consequences of these variant PRC1 complexes on cell fate determination remains unknown. One important variant PRC1 complex, named PRC1.1, is comprised of KDM2B, PCGF1 and other components. Through the CXXC domain of KDM2B, PRC1.1 is recruited to unmethylated CpG islands (CGIs) and then catalyzes the monoubiguitination of histone H2A on lysine 119 (H2AK119ub). By modulating H2AK119ub level，the activiety of KDM2B-PRC1 complex play important role in maintaining chromatin state and controlling gene expression. We use somatic reprogramming as model and found KDM2B-PRC1complex can promotes somatic repgramminm. Futhermore, we found that bone morphogenetic proteins (BMP) can attenuates KDM2B-PRC1 occupation on development genes and a consequenct suppression of somatic reprogramming. These observations reveal that KDM2B-PRC1 complex participates in the establishment of pluripotency and BMP4 signaling is a modulator of KDM2B-PRC1’s function. In this project, we aim to explore the mechanisms by which KDM2B-PRC1 complex modulate pluripotency establishment, and to understand the regulatory mechanisms of BMPs signaling on KDM2B-PRC1 complex, and reveal the biology function and mechanisms of KDM2B-PRC1 complex in during differentiation. This project will give insight into the essential role of KDM2B-PRC1 complex in cell fate determination and provide fundamental understanding of the mechanisms by which it works.

近年来Polycomb抑制复合物1（PRC1）被发现有更复杂的组成模式，其功能有待深入研究。其中KDM2B参与的PRC1.1复合物能被募集到CpG岛上，对基因组上组蛋白H2A119位赖氨酸的单泛素化（H2AK119ub）分布及基因表达有重要调控作用。本课题组通过体细胞重编程发现KDM2B-PRC1复合物能显著促进多能干细胞形成，基于该模型进一步发现骨形成蛋白（BMPs）信号通路会削弱KDM2B-PRC1在发育基因上的结合，并阻碍多能性建立。拟基于这些前期工作，深入研究KDM2B-PRC1复合物调节多能性网络重建的机制，揭示BMPs信号通路对KDM2B-PRC1的调节机制，并探索KDM2B-PRC1的这些调控机制在干细胞分化中的功能。该研究将系统揭示KDM2B-PRC1复合物在细胞命运决定过程中的功能和调控机制。

本项目利用体细胞重编程及干细胞分化为模型，研究KDM2B如何通过其招募PRC1.1复合物的功能来调控细胞命运决定，且该调控过程如何受到胞外信号通路BMP4的影响，并尝试将该作用机制延伸扩展到生理条件下的干细胞分化过程中，同时也尝试探索了KDM2B-PRC1.1复合物中的另一个核心组分蛋白PCGF1在细胞命运决定中的功能。.根据前期研究结果和实验计划，我们发现KDM2B依赖其招募PRC1.1复合物的功能来促进体细胞重编程，且BMP4信号通路能够明显的抑制KDM2B对体细胞重编程的促进作用。体外的生化实验发现，BMP4信号通路中的Smad1/5/8能够与KDM2B相互作用。随后，通过ChIP-seq实验我们确定了BMP4信号通路可以降低KDM2B在基因组上的结合强度，进而使基因组上KDM2B介导的H2AK119ub修饰下降。联合转录组测序结果我们发现，这些修饰变化的位点大部分都是加入BMP4之后表达上调的发育相关的基因。因此我们提出了胞外信号分子BMP4通过抑制KDM2B在发育基因位点上的结合，降低这些位点上的H2AK119ub修饰，从而使发育相关基因上调，最终抑制体细胞重编程的作用模式。我们进一步发现了BMP4信号的作用并不依赖于其下游Id基因。随后我们尝试研究该作用模式在生理分化模型即成骨分化过程中是否适用，并初步探索了KDM2B-PRC1.1复合物中的另一个核心组分PCGF1在小鼠早期胚胎发育过程中的功能，发现PCGF1缺失导致小鼠早期胚胎发育致死。这些初步探索更加印证了KDM2B-PRC1.1复合物在细胞命运决定中发挥着关键的作用。本课题相关的系列研究经过整理之后，发表在《Cell Reports》上，并受到广泛关注。.该研究首次确认了KDM2B依赖其招募PRC1.1复合物的功能促进体细胞重编程，且该功能可以受到胞外信号因子BMP4的影响，这一研究结果加深了我们对PRC1.1复合物在细胞命运决定中理解，在表观遗传调控影响细胞命运决定领域有着重要的作用。