多能干细胞获得全能性特征的表观遗传调控因子筛选及机制研究

Mouse embryonic stem cells (ESCs) are pluripotent but not totipotent, as they only give rise to cells in the embryonic lineage, but not the extra-embryonic lineages. While the gene regulatory network underlying pluripotency is well studied, how the totipotent state is regulated remains to be elucidated. Recently, it has been shown that a rare transient cell population within mouse ESCs expresses high levels of transcripts found in the two-cell (2C) embryos in which both the two blastomeres are totipotent. More importantly, these 2C-like cells can contribute to both embryonic and extra-embryonic tissues and are therefore important for both basic research and translational research. Here, using 2C-like cells as a model, we will perform both CRISPR-Cas9 knockout screen and transcription activation screen for epigenetic regulators and transcription factors that regulate the entering and exiting of 2C-like state. Moreover, we will profile genome-wide DNA/histone modifications, 3D chromatin structure and lengths of mRNA poly(A) in 2C-like cells to understand the epigenetic mechanisms. We will also explore whether a rare 4C-like population exists in human naïve ESCs. Our study will not only contribute to a better understanding of how the totipotent state during early development is established but also allow for the development of techniques and approaches that will improve regeneration medicine.

近年来的研究发现小鼠胚胎干细胞群体中会自发地产生具有早期胚胎发育二细胞(2C)时期全能性细胞分子特征的稀有细胞亚群，并且这种2C样细胞既能发育成胚胎组织，也能产生胚外组织，因而对基础研究和再生医学研究均有重要的意义。本研究将以2C样细胞为模型，系统地筛选可以使多能干细胞获得全能性特征的表观遗传调控因子和转录因子，并综合运用DNA修饰、组蛋白修饰以及染色质三维结构、mRNA poly(A)尾长度等多组学分析手段深入研究多能干细胞获得2C样全能性特征的表观遗传学分子基础和调控机制。本项目旨在加深人们对细胞全能性和胚胎发育最早期细胞命运调控的理解，并探索建立体外诱导、培养和扩增具有类似2C样全能性特征的潜能扩展性干细胞的新方法，还将探索人源多能干细胞如何获得4C样全能性特征。这项研究将有助于理解人类的正常早期发育及发育相关疾病，并为组织工程和再生医学等实践积累新知识、提出新理论、创建新方法。

细胞的全能性是指单个细胞产生完整个体的能力。近年来发现的全能性样干细胞具有相较于以胚胎干细胞为代表的多能干细胞更强大的发育潜能（既能发育成胚胎组织，也能产生胚外组织），因而对干细胞的基础研究和再生医学研究均具有重大的意义。干细胞的分化潜能与表观遗传学调控密切相关，但多能干细胞如何获得全能性以及这种发育全能性的表观遗传调控机制尚不明确。本项目通过采用一系列微量细胞表观基因组测序技术，绘制了胚胎干细胞向全能性样转变前后的全基因组染色质三维构象图谱、染色质可及性图谱以及多种染色质修饰等表观遗传图谱，揭示了多能干细胞获得全能性特征过程中染色质状态和基因表达的动态变化。胚胎干细胞的染色质高级结构在转变过程中变得更加松散，同时形成了许多富集组蛋白H3K27Ac修饰且与DUX结合相关的全能性增强子。拓扑结构域绝缘性的降低有利于胚胎干细胞中偶发激活的全能性增强子与附近全能性基因启动子之间的接触，从而促进其表达并完全激活全能性样转录程序。利用基于CRISPR/Cas9的全能性调控因子的筛选，介导染色质高级结构形成和维持的关键因子CTCF和cohesin复合物组分被鉴定为全能性的负调控因子。在胚胎干细胞中削弱染色质高级结构有效地促进了其全能性样转变。本研究揭示了染色质高级结构在多能干细胞获得全能性样特征过程中的重要作用和相关机制，发现了一种调控干细胞潜能的新途径，也为进一步理解细胞全能性的分子机制提供了丰富的表观基因组数据集，为再生医学研究提供了新的思路。截至目前，在本项目的资助下共有9篇SCI研究论文发表在相关国际学术期刊上，项目负责人获得国家自然科学基金面上项目和优秀青年科学基金项目各1项，培养博士研究生5名，硕士研究生1名。