维生素C介导细胞命运调控的机理研究

Cell fate regulation is one of the most basic questions or areas in life science. For human, hundreds of trillions of cells can be generated from one single embryo. Thus understanding the underlying mechanisms of cell fate regulation will help us to understand human development and to make improvements for stem cell-related therapy. Previously, we have demonstrated that vitamin C promotes the conversion of mouse embryonic fibroblasts (MEFs) to induced pluripotent stem cells (iPSCs), via epigenetic regulation on histone methylation and DNA methylation. In addition, we also found that vitamin C could convert pre-iPSCs to iPSC robustly. In this application,we propose study the roles of vitamin C in regulating cell fate conversions in the next 5 years. There are three specific aims: 1) the role and impact of vitamin C on global nuclear arthiteeture; 2) the regulation nucleosome structure by Vc; 3) the roles of vitamin C in regulating gene expression via epigenetic modifications. By analyzing the role of Vc from nuclear structure to gene expression, we seek to understand the new biological functions of vitamin C in term of cell fate decisions and its potential role in public nutrition.

细胞命运调控是生命科学基础问题之一。每个人由一个受精卵经过细胞命运介导的分裂与分化出10^14个细胞组成。所以弄清细胞命运调控将有利于了解人类发育并对再生医学治疗有促进作用。我们前期工作表明维生素C(Vc)能促进成纤维细胞向多能干细胞（iPSC）命运转换，而且揭示了Vc通过调控组蛋白和DNA去甲基化酶活性来实现这些命运转换的表观遗传调控。在研究pre-iPSC向iPSC转换过程中，我们发现Vc能够将pre-iPSC高效诱导为iPSC。也就是说Vc具有将一类细胞变为另一种细胞的功能，为我们研究细胞命运转换提供了特性的研究模型。本项目将利用该模型来探索细胞命运转换，主要目标为：1.Vc调控细胞核宏观结构的机理；2.Vc调控染色质核小体重编程的机理；3.Vc通过表观遗传因子控制基因表达的规律。本研究将对干细胞调控和公众营养研究都具有较长远意义。

本项目围绕维生素C介导细胞命运转变的表观遗传机制展开。通过采用多种技术手段研究维生素C对细胞染色质状态和命运转变的影响，揭示维生素C通过表观遗传因子、转录因子调控细胞命运的机制和规律。项目主要研究内容和结果包括：1）利用维生素C驱动的pre-iPSC到iPSC转变模型，发现维生素C可以打开异染色质、调节核小体组蛋白的修饰状态，并特异性打开SOX和OCT4家族蛋白结合的染色质，关闭AP-1，RUNX等家族蛋白结合的染色质。2）利用维生素C为关键成分的诱导多能干细胞培养体系，揭示了转录因子和化学小分子诱导多能干细胞过程的染色质可及性动态变化规律，鉴定出一系列调控细胞命运特异性转变的关键调控蛋白，如SAP30，GATA /FOX等，提出了体细胞重编程过程染色质的OC/CO二元变化模型假说，并以此设计出新型的诱导多能干细胞因子组合，实现了重编程技术的突破。3）利用维生素C为辅助成分，构建了高效且成分明确的多能干细胞激发态（Primed态）--基态（Naïve态）转变（PNT）体系，发现BMP4信号蛋白是驱动PNT过程的关键信号分子，并鉴定出新型的下游染色质调控蛋白ZBTB7A/B。上述研究利用不同的细胞模型探索维生素C调控细胞命运转变的表观遗传机制以及特异性的调控蛋白，为全面理解维生素C调控细胞命运转变的机制提供了新的视角和研究范式。