早期胚胎端粒延长的分子机制及其在体细胞重编程中的功能研究

Telomeres play vital roles in early embryo development, organ homeostasis, somatic cell reprogramming and tumorigenesis. Telomeres lengthen significantly in preimplantation embryos via alternative lengthening of telomeres (ALT) mechanism. However, the molecular mechanism of ALT in early embryos remains unknown. Importantly, a strong association between ALT and tumorigenesis has been implicated in recent studies. In the past a few years, ALT mechanism in abnormal situations has been intensively studied while how it works in early embryo has been unclear due to the limit of small amount of samples. However, increasing evidence indicates that understanding of ALT mechanism in early embryo will benefit the improvement of induced pluripotent stem cells (iPS) and the research of ALT in tumors. We will use the proteomic technique and embryo micromanipulation technique to study ALT mechanism in early embryos. Embryos at different stage have been collected and the proteomic information has been obtained by mass spectrometry analysis. We have identified some candidate genes might closely related to ALT and telomere regulation. However, these genes’ function in ALT need to be further validated. We will further understand the function of these genes in the process of embryo development and iPS cells induction. Overall, our research will greatly benifit the understanding of the molecular mechanism of ALT in early embryos and provide invaluable information for iPS improvement and cancer therapy.

端粒的延长和维持在胚胎发育、器官的稳态维持、体细胞重编程、肿瘤发生等过程中发挥着重要作用。不依赖于端粒酶的端粒延长机制（alternative lengthening of telomeres，ALT）是早期胚胎端粒快速延长的主要方式，然而其发生的分子机制却不清楚。近期的研究表明理解早期胚胎ALT机制可能会极大改善现有的诱导型重编程技术，并且可能为肿瘤发生过程中的ALT机制研究提供帮助。我们在前期研究中，收集了从受精卵到囊胚不同发育时期的数万枚胚胎并借助定量质谱技术首次获得了早期胚胎蛋白质组，经生物信息学分析，我们发现了一些可能与ALT发生或者端粒调控相关的蛋白分子，其中很多分子的具体功能有待深入研究。我们将利用早期胚胎发育（包括体细胞核移植胚胎）和iPS诱导系统深入研究这些基因在ALT过程中的作用机制。我们的研究不仅可以揭示早期胚胎ALT机制，还将为改善iPS技术提供重要的理论基础。

端粒是细胞染色体末端一段重复序列，其在胚胎发育、干细胞以及衰老和疾病发生等重要生理病理过程中发挥重要作用。端粒的加长主要通过端粒酶和不依赖于端粒酶的方式即ALT方式进行，而之前的研究证明在早期胚胎发育过程中细胞主要通过ALT机制加长端粒，但是哪些重要因子在这一过程中发挥重要作用却不清楚。在该国家自然科学基金重点项目的资助下，本项目主要针对早期胚胎发育过程中的端粒加长因子进行研究，圆满完成了计划书中的研究内容，取得了如下主要研究成果：1）通过小规模的胚胎阶段性特异表达因子的筛选，鉴定了早期胚胎端粒延伸的关键因子Dcaf11，并揭示其在端粒异染色质修饰去除和调控早期胚胎基因表达以及干细胞中的作用机制。2）首次利用高灵敏的蛋白定量质谱技术，描绘了小鼠植入前胚胎的蛋白质组动态图谱，揭示了早期胚胎发育过程中蛋白质水平的独有模式。3）利用微量细胞组学技术，首次绘制了早期胚胎组蛋白修饰的动态图谱，揭示了小鼠早期胚胎发育基因表达的表观遗传调控机制和异染色质区域的重编程过程。4）发现了体细胞重编程的分子壁垒，鉴定了早期胚胎重编程因子在克隆胚胎和诱导多能干细胞即iPS细胞诱导重编程中的作用机制。相关代表性研究成果发表在Nature、Cell Stem Cell、Nature Cell Biology等国际知名学术期刊上，项目执行期间有多位研究生获得国家奖学金，并有多位青年骨干教师获得各类人才项目支持。同时，在本项目的支持下，研究团队获得了包括中国生命科学十大进展、教育部自然科学一等奖等在内的多项国家级和省部级重要奖项。