三磷酸肌醇受体(IP3Rs)在胚胎干细胞分化命运决定中的作用和调控机制

胚胎干（ES）细胞具有自我更新和分化为三个胚层各细胞类型的潜能，但其分化调控机制尚未阐明。Ca2+信号作为第二信使在发育和分化调控中起着重要作用。但在此过程中，Ca2+信号的确切作用、如何产生的、又是如何与其它调控通路协同决定发育和分化命运的尚远未阐明。我们新近发现内质网膜主要Ca2+释放通道三型三磷酸肌醇受体（IP3R3）介导的Ca2+信号通过调控分化早期小鼠ES细胞的凋亡进而决定了ES细胞向中胚层和部分内胚层细胞的分化命运, 而在此过程中IP3R1和IP3R2对Ca2+信号和凋亡的调控有别与IP3R3。在此基础上，本项目拟1）明确IP3Rs亚型在ES细胞分化过程中的重要作用；2）阐明IP3Rs各亚型介导的钙信号特征和其分化命运决定的关联；3）探讨IP3Rs介导的Ca2+信号在调控ES细胞分化命运决定中的机制。研究发现将丰富对干细胞分化命运调控机制和Ca2+信号调控与作用的认识。

我们前期工作揭示III型三磷酸肌醇受体(IP3R3)参与小鼠胚胎干细胞（mESCs）分化命运决定。在此基础上本项目按研究计划要点执行，并拓展了研究内容，对IP3R亚型在mESCs和人源(h)ESCs的自我更新及分化中的作用进行了较系统的研究，研究进展顺利，取得如下主要发现：（1）明确了IP3R亚型在未分化鼠和人源ESCs及分化细胞的表达谱；（2）建立了多株IP3Rs亚型表达下调和敲除的mESCs和hESCs细胞系，为深入解析其在鼠和人源ESCs命运决定中的作用提供了必要的研究体系；（3）优化了多能干细胞（PSCs）向心肌细胞分化方案，建立了高效诱导和维持hPSCs分化为心血管前体细胞（CVPCs）方法，为获得明确的IP3Rs作用提供了重要保障；（4）明确了IP3Rs亚型对鼠和人源ESCs自我更新的作用。证明单一亚型IP3R缺失或下调不影响鼠和人源ESCs自我更新；敲除IP3R三个亚型也不影响mESCs自我更新；5）揭示了IP3R亚型对鼠和人源ESCs分化命运决定的作用。发现单独下调I型或II型IP3R不影响mESCs向内中外三胚层的分化；IP3R三个亚型缺失不影响mESCs早期中胚层形成但促进心肌前体和心肌细胞分化; 而分别敲除II型或下调III型IP3R未见hESCs向中胚层、CVPCs和心肌分化受到明显影响；（6）揭示了mESCs敲除IP3R三个亚型促进心肌前体和心肌细胞分化的机制；(7) 明确了IP3R介导的Ca2+信号在未分化mESCs、hESCs和分化的CVPCs及心肌细胞的时空分布特征；（8）揭示了IP3R亚型在胞外嘌呤信号引起hESCs和CVPCs的不同钙信号中的特异性贡献。通过敲除II型或下调III型IP3R，结合药理学研究手段，揭示了IP3R亚型在hESCs与CVPCs的钙信号特征变迁中的重要性；发现了IP3R亚型在介导hESCs和分化的CVPCs对胞外嘌呤信号引起的不同钙信号中的功能偶联作用；并揭示了IP3R亚型与hESCs和CVPCs中不同嘌呤受体间的耦联关系和在分化中的功能偶联变迁。研究发现明确了IP3Rs在mESCs和hESCs命运决定中的作用，揭示了IP3Rs调控的钙信号特征及调控通路，丰富了对IP3Rs及其钙信号在多能干细胞来源的中胚层和心血管早期分化发育中的特征和作用的认识，并为后继研究提供了一系列的研究体系和理论实验基础。