人前脑背-腹侧化过程中的信号与转录调控机制研究

Signaling pathway and transcription factor are two key components that determine lineage fate during stem cell differentiation. Currently, it is still unclear how ventral forebrain neuroprogenitors are specified from human embyronic stem cells and how basal forebrain cholinergic neurons (BFCN) are subsequently differentiated from those ventral forebrain neuroprogenitors. One the other hand, Alzheimer's disease （AD）is one of the most prominent neurodegenerative diseases in elders. Although effective intervenes for AD are still lacking, clinical and animal studies demosntrated that dysfucntion and later on degeneration of BFCN is one key causative factor in AD pathology. Currently, it is urgently needed to generate to way to obatain functional BFCN and investigate their potential application in AD. Developmental biologists have revealed that BFCN are originated from the most ventral part of the forebrain. Therefore, based on our sophisticated in vitro neural differentiation system of human embryonic stem cells, we are going to study the extrinsic and intrinsic regulatory mechanisms during BFCN development.We will investigate the signals and transcription factors, which regulate dorsal vs ventral patterning of neuroectoderm cells. We expect to optimize the efficiency to target neuroectoderm cells to ventral forebrain neuroprogenitors and target these ventral neuroprogenitors to BFCN.These BFCN will subsequently be characterized for a various of aspects in order to confine their identities and physiological functions.

信号与转录因子是干细胞分化过程中细胞命运决定的两大关键因素。但是人胚胎干细胞神经定向分化过程中通过区域化产生前脑腹侧特异性神经前体细胞进而生成基底前脑胆碱能神经元（BFCN）的具体调控信号和转录网络却不十分清楚。临床和动物实验研究表明，BFCN的变性和死亡是阿尔茨海默病的重要发病机制，因而研究调控人BFCN分化的信号和转录调控机制对于体外通过诱导分化人胚胎干细胞并获得高纯度的BFCN有重要意义。本申请拟在人胚胎干细胞神经定向分化平台的基础上，研究神经外胚层细胞背-腹侧化过程中调控的信号和转录网络，从而研究如何高效靶向神经外胚层细胞为前脑腹侧神经前体细胞，如何高效靶向前脑腹侧神经前体细胞为BFCN。同时初步评判各种方法获得的BFCN的生理功能，包括其成熟、突起生长、移植后存活、动作电位、递质释放及神经环路的整合能力等相关功能分析，为寻找治疗阿尔茨海默病的细胞来源奠定基础。

中枢神经系统的前后轴分区是遵循一个激活／转化模型的，这个模型提出了在神经诱导阶段， 端脑分区可能的命运被激活。之前的研究表明可以通过一些形态因子的刺激来决定这些前后轴命运的转化。尽管脊椎动物的端脑分区的命运转化，外在的信号和内部的转录因子对背腹侧分区（dorsoventral patterning，DV patterning)有非常重要的作用,但是这个背腹侧分区模型仍然不清楚，其中涉及的分子机制还需进一步阐明。这个模型在人的早期发育的神经诱导过程中确实存在，因为人类早期发育的过程是一个进化保守的过程而且受到非常复杂的基因网络调控。我们通过转录因子和信号分子的研究，提出了人胚胎干细胞在体外定向分化到前脑过程中的背腹侧分区模型，这个模型同样遵循激活／转化的模式。人的神经外胚层会自动激活前脑背侧的命运，而这种前轴的背侧化不是依赖于Wnt 信号或Pax6的高表达。过量表达Pax6阻碍了Shh信号诱导的腹侧化，这个研究结果表明前脑腹侧化的命运被过表达的背侧基因抑制了。通过Nkx2.1转基因干细胞系的构建，Nkx2.1也不是Shh诱导的腹侧化的转录因子。因此我们的结论是在人胚胎干细胞向神经上皮细胞分化的过程中，Shh 信号抑制背侧基因的表达，随后通过释放抑制的方式将最初激活的背侧命运转化成腹侧的命运。通过这个模型我们进一步分化了来自MGE的神经元，并将这些神经元移植到SCID小鼠，通过分析小鼠的行为学特征，为阿尔茨海默症的治疗提供可以一定的科学依据。