TGF-β调控的LncRNAs在胚胎干细胞中功能及机制的研究

Long non-coding RNAs (LncRNAs) have been found to play important roles in cell development and differentiation. A major function of LncRNAs is to facilitate epigenetic regulation of gene expression by coupling with chromatin regulators such as chromatin modifiers and remodelers. Our previous work has suggested a crosstalk between TGF-β signaling pathway and the epigenome during murine embryonic stem cell differentiation. Thus, the epigenetic landscape of target genes determines how they, in a cell context-dependent manner, respond to TGF-β signaling. But what mediates the crosstalk between TGF-β signaling and the epigenome, and could LncRNAs play such a role are not known. In this proposal, I describe our preliminary data on identification of a subset of LncRNAs whose expression are TGF-β dependent during murine embryonic stem cell differentiation. And I propose to further investigate the roles of these LncRNAs in TGF-β responses during embryonic development, and decipher the molecular mechanism by which these LncRNAs regulate expression of target genes.

长链非编码RNA(LncRNAs)在细胞发育和分化过程中有非常重要的作用。LncRNAs的一个主要功能就是通过结合染色质调控蛋白比如染色质修饰蛋白和重塑蛋白在表观遗传水平上调节基因的表达。我们过去的工作表明在小鼠胚胎干细胞分化中TGF-β信号通路和表观遗传图谱有相互作用。也就是说，被调控基因的表观遗传图谱决定了它对TGF-β信号通路如何反应。但是，什么因子介导TGF-β信号通路和表观遗传图谱的相互作用以及这个因子是LncRNAs的可能性的相关研究几乎为空白。我们的初步研究表明TGF-β特异性调控的LncRNAs存在于小鼠胚胎干细胞和早期分化的干细胞中。我们的研究将致力于诠释TGF-β调控的LncRNAs如何在胚胎发育过程中发挥作用，以及这些LncRNAs调控目标基因表达的机制。

长链非编码RNA（lncRNAs)在细胞发育和分化过程中有非常重要的作用。TGF-β信号通路在胚胎早期发育中发挥了重要作用。我们的研究表明TGF-β特异性调控的lncRNAs存在于小鼠胚胎干细胞和早期分化的干细胞中。我们发现其中一个信号通路特异调控的lncRNAs Lnc5特异表达在小鼠胚胎E7.0的原条区，并且在体外分化体系中Lnc5的表达时间与中内胚层的关键转录因子表达同步，此RNA分布在胞质。利用CRISPR/Cas9技术及shRNAs敲除Lnc5会导致小鼠胚胎干细胞中内胚层分化受到影响，但外胚层分化不受影响。基因敲除小鼠可以成活，但Lnc5敲除新生小鼠数目偏少而且体重偏轻。这进一步证明Lnc5参与早期发育调控。同时我们发现Lnc5在成年小鼠的大脑也高表达，并且Lnc5敲除小鼠行为和野生型小鼠有差别，表现为更加活跃，兴奋，及无畏。进而我们通过对野生型和Lnc5敲除的分化胚体（Embryoid bodies）的转录组分析，发现有一系列在胚胎干细胞高表达的基因在Lnc5敲除的胚体中表达增加。进而我们揭示了lncRNA编码的小蛋白在干细胞分化过程中通过结合葡萄糖转运蛋白GLUT1/3来影响细胞吸收葡萄糖的含量从而影响细胞内糖酵解过程，从而介导胚胎干细胞向中内胚层分化的细胞命运转变。同时我们还发现新的TGF-β信号通路调控的Lnc2在胚胎干细胞状态特异性的抑制心机干细胞分化相关的转录因子表达水平来调控心肌细胞的分化. 综上，我们从全新的角度解释了TGF-β通路通过调控特异的lncRNAs在胚胎发育过程中发挥作用。