利用基因敲除斑马鱼模型研究Nanog抑制Wnt/β-catenin信号通路的分子调控机制

Wnt/β-catenin signaling pathway plays important roles in different biological processes. Previous studies have shown that its activity is not only controlled by the nuclear transportation of stabilized β-catenin, but also modulated by certain nuclear factors. For instance, our previous study have revealed the positive regulation of β-catenin transcriptional activity by Lbx2, which interacts with Groucho and thereafter interferes the formation of Groucho/TCF transcriptional repressor complex (Nature Communications, 2014). Nanog has shown to mediate acquisition of both embryonic and induced pluripotency. We have found that the β-catenin transcriptional activity was negatively regulated by Nanog in zebrafish early development, and we further generated the maternal-zygotic mutants of nanog (MZnanog). The proposed project will utilize the MZnanog mutants, by using a combination of omics and experimental approaches, to study the molecular mechanism underlying the fact that Nanog represses Wnt/β-catenin signaling, at two levels, i.e., transcriptional regulation of Wnt/β-catenin signaling factors by homeobox protein Nanog, and protein-interaction-regulation of nuclear β-catenin transcriptional activity by nuclear factor Nanog.

Wnt/β-catenin信号通路有着重要的生物学功能，研究发现其除了受到β-catenin转运入核的调控之外，在核内还存在调控β-catenin活性的因子。如我们发现Lbx2与Groucho结合干扰Groucho/TCF转录抑制复合体的形成，从而促进β-catenin的转录活性（Nature Communications, 2014）。Nanog是调控细胞全能性的关键因子。在前期研究中，我们发现斑马鱼早期发育中β-catenin活性受到Nanog的抑制并利用TALEN技术构建了nanog的母源合子突变体（MZnanog）。申报项目拟在此基础上，利用MZnanog模型，开展组学分析并结合实验生物学手段，从Nanog是否从转录水平调控Wnt/β-catenin信号通路相关因子，或以蛋白-蛋白互作方式在核内调控β-catenin信号活性这两方面入手，揭示Nanog抑制Wnt信号通路的分子机制。

背腹轴的建立是胚胎早期发育最重要的事件之一。背腹轴的相关研究可追溯至上世纪20年代，德国科学家Hans Spemann和Hilde Mangold在蝾螈的早期胚胎研究中发现“背侧组织中心（dorsal organizer）”的存在。研究表明，母源β-catenin在胚胎一侧的少数细胞中激活诱导背侧组织中心的形成。然而，如何精确控制非背侧细胞中的β-catenin活性，确保胚胎背侧体轴的正常形成，仍是学术界的难题。 .本项目研究以斑马鱼为模型，通过基因敲降、基因敲除、蛋白互作、遗传拯救等手段，揭示Nanog调控早期胚胎发育的新机制：在背侧细胞中，母源提供的β-catenin占优势地位，其与TCF7结合，激活母源β-catenin转录活性和背部基因的表达，诱导背部组织中心的形成；而在非背侧细胞中，母源遗传的大量Nanog与TCF7结合，干扰β-catenin/TCF7转录激活复合物的形成，抑制细胞中的母源β-catenin的活性。 .Nanog在胚胎不同区域细胞中对母源β-catenin活性精确调控，确保胚胎背腹轴的正确形成。因此，该研究初步解答早期胚胎发育领域母源β-catenin活性的控制难题。同时，Nanog在卵质差的鱼卵中表达量显著偏低，极有可能是鱼类卵质评价和提升卵质的重要靶点。 .受项目资助，相关论文发表于PLOS Biology、PLOS Genetics等6篇，项目负责人获国家杰出青年科学基金资助。