RYBP对体细胞重编程的调控及其机理研究

Polycomb group proteins (PcG) are essential epigenetic regulators of stem cell identity and development. RYBP is one subunit of non-canonical PRC1 complexes. RYBP-PRC1 complexes have a significant biological functions in regulating histone H2A ubiquitylation, self-renewal and differentiation of embryonic stem cells, however, regulation of somatic cell reprogramming by them and the involved mechanisms have not been investigated. Our recent results indicated that RYBP significantly promotes somatic cell reprogramming. By using technologies of protein purification, genomics, transcriptomics in combination with bioinformatic analysis, we will dig out RYBP-associated proteins and identify the downstream target genes and signaling pathway regulated by RYBP. Meanwhile, we will analyze the genome-wide binding profiles of RYBP and histone ubiquitination modification during somatic cell reprogramming and deeply explore the involved molecular mechanisms for promoting reprogramming by RYBP. This study will further help us to understand the regulatory mechanisms of somatic cell reprogramming and to enrich PcG biological functions.

PcG蛋白是干细胞维持及发育过程的重要转录因子。RYBP是非经典型PRC1复合物的核心亚基。RYBP-PRC1在调节组蛋白H2A泛素化修饰和胚胎干细胞自我更新及分化等方面具有重要的生物学功能，而它们对体细胞重编程的调控作用未见报道。我们最近结果表明RYBP可以显著促进重编程。本研究将采用蛋白纯化、基因组学、转录组学以及生物信息学等研究手段，挖掘出与RYBP相互作用的蛋白质；鉴定出RYBP所调控的下游基因和信号通路；解析RYBP介导的组蛋白H2A泛素化修饰在重编程过程中对DNA结合位点分布的影响；重点对RYBP促进重编程的内在分子机理进行深入研究。该研究有助于我们加深理解体细胞重编程的调控机制，并进一步丰富PcG蛋白的生物学功能。

多梳蛋白复合物参与基因转录调控的抑制，在基因的表达调控和动物的发育过程起着至关重要的作用。本课题研究RYBP在体细胞重编程过程中通过与RNA结合蛋白DDX5协同参与细胞重编程。阐明了Ddx5-microRNA-125b-Rybp在细胞命运调控的新机制。研究发现在敲除DDX5的细胞中增强了RYBP的蛋白表达，从而增加了H2AK119ub1依赖的胚层基因的抑制，有利于成纤维细胞向诱导多能干细胞的重编程过程。此过程通过一部分RYBP与多梳抑制复合物1（PRC1复合物）形成复合物RYBP-PRC1，而另一部分RYBP与多能性因子OCT4形成复合物RYBP-OCT4。组蛋白去甲基化酶KDM2B是OCT4的下游基因，对重编程有促进作用。我们发现在重编程过程中RYBP是OCT4和KDM2B的上游调控者，RYBP通过招募OCT4到组蛋白去甲基化酶基因KDM2B的启动子区，并激活内源多能性基因的表达从而促进体细胞重编程。本课题的完成揭示了RYBP在调控细胞重编程的重要性及阐明了Ddx5-microRNA-125b-Rybp上下游关系在体细胞重编程中的分子机制。. 此外，在以上课题开展过程中，意外的鉴定出与多梳蛋白RYBP密切相关的另外一个非经典的多梳蛋白亚基PCGF5。其对于小鼠胚胎干细胞向神经分化是必须的。研究发现敲除PCGF5虽然不影响干细胞的干性维持和自我更新，但却显著抑制了胚胎干细胞向神经前体细胞分化。在干细胞向神经外胚层定向分化过程中，PCGF5可以通过RING1B依赖的泛素化负向调控SMAD2/TGF-β信号通路，而敲除PCGF5导致分化过程中SMAD2/TGF-β信号通路被激活，并且阻碍了神经相关基因组蛋白修饰H2AK119ub1和H3K27me3在分化过程的消减，使干细胞向神经前体细胞分化受到抑制。此外，发现PCGF5在基因组上更多与激活相关的组蛋白修饰有共定位。这一研究结果表明在神经分化过程中，PCGF5一方面通过发挥PRC1复合物的功能抑制SMAD2/TGF-β信号通路，另一方面参与调控神经分化相关基因激活，进而调控干细胞向神经前体细胞分化的进程。综上，通过本项目的完成，有助于丰富和补充PcG家族的新功能，加深理解高等生物发育过程中表观遗传调控机制。