人类胚胎干细胞定向分化的表观遗传预编程机制研究

人类干细胞研究的主要任务之一是控制细胞命运特化的进程，高效率地获得定向分化的目的细胞。本项目拟选择在向神经系统细胞系分化时，具有向神经管前后轴分化趋势的人胚胎干细胞为实验材料，通过对不同分化阶段的细胞系的H3K4me3、H3K27me3和DNA甲基化等表观遗传标记进行分析，构建各个细胞系特异的表观基因组图谱，研究在细胞定向分化过程中表观基因组图谱维持和变化的规律。以组蛋白修饰酶和DNA甲基化酶为靶标，采用功能获得和/或功能缺失的方法，研究在不同的细胞培养条件下，通过调控细胞分化过程中的表观遗传标记系统，从而改变各种细胞系分化趋向性的可能性和机制。本项目的实施不仅能够揭示人类胚胎干细胞不同细胞系的表观基因组图谱的差异、遗传性及分化后代对表观基因组图谱的记忆力，而且可望建立改写表观基因组图谱的实验技术，进而建立调控细胞定向分化的新技术。

人类干细胞研究的主要任务之一是控制细胞命运特化的进程，高效率地获得定向分化的目的细胞。本项目选择在向神经系统细胞系分化时，具有向神经管前后轴分化趋势的人胚胎干细胞为实验材料，通过对不同分化阶段的细胞系的H3K4me3、H3K27me3和DNA甲基化等表观遗传标记进行分析，发现利用一套前脑标记基因(例如：FoxG1b，Otx1/2，Emx1/2)和后脑标记基因(例如：Pax2和Hox基因簇)可以找出不同来源的细胞系向前后轴神经细胞分化的差异。这些前后轴神经细胞分化相关基因的表达活性与这些基因表观遗传状况(例如：H3K4me3，H3K27me3和DNA甲基化)高度相关。因此，通过分析表观遗传的标记，我们可以判断与分化相关基因激活的难易程度，从而预测干细胞分化的趋向性。此外，我们发现，与HSF1和HSF6细胞系相比，H9，H1细胞系和很多新建立的iPSC细胞系具有更高的可塑性，且这些细胞系的与前后轴建立相关的特化基因的活化性标记和抑制性标记介于HSF1和HSF6细胞系之间。视黄酸(RA)和sonic hedgehog (Shh)能改变人胚胎干细胞的分化趋向性。在分化过程中，(RA)的处理能下调Hox基因簇H2K27me3，使细胞更易于向中后脑神经元分化；SHH能改变细胞的分化命运，使由向背侧分化转变为向腹侧分化(D-V轴向，用Pax6，Ngn1/2作背侧标记，Nkx2.2，Dlx2,5,6作腹侧标记)。因此，通过对前后轴分化基因的甲基化组的干预可建立诱导干细胞定向分化的新技术。