多能性转录因子LBP9在人类原始生殖细胞发育中的功能研究

Primordial germ cells (PGCs) existing in early post-implantation embryos are the precursors of the fully differentiated oocytes and sperm. So far, how the specification of human primordial germ cells (hPGCs) is regulated during early development remains unclear. Recently, we found that the pluripotency-associated transcription factor LBP9 is specifically and highly expressed in hPGCs. LBP9 is regulated by core hPGC specifiers TFAP2C and PRDM1, indicating that LBP9 might be recruited into the regulatory circuitry for hPGC specification. Intriguingly, the primate-specific endogenous retrovirus HERVH, which is driven by LBP9 in human embryonic stem cells (hESCs), is also highly transcribed in hPGCs, with a different expression pattern from hESCs, indicating its biological role in hPGC specification. Based on these findings, we hypothesize that LBP9 is a critical regulator for hPGC specification, in which it is involved in the TFAP2C/PRDM1-centered regulatory circuitry for maintaining the PGC-specific transcription program, and defines an hPGC-specific pattern of HERVH transcription which is also crucial for hPGC specification. In this project, we will use human PGC-like cells specified from hESCs as a model, and employ multiple state-of-the-art technologies (e.g. CRISPR-based knockout and epigenome editing) to elucidate how LBP9 and HERVH regulate hPGC specification.

原始生殖细胞（PGC）是发育为成熟的精子和卵子的前体细胞。迄今，人们对人类原始生殖细胞（hPGC）特化及其调控机制知之甚少。我们研究发现：多能性转录因子LBP9在hPGC中高表达，且受hPGC核心转录因子TFAP2C和PRDM1的调控；内源性逆转录病毒HERVH在hPGC中活化，并呈现与人胚胎干细胞（hESC）不同的表达谱。我们过去的研究证实，LBP9调控HERVH活化，以维持hESC多能性。基于上述研究结果，我们提出假说：LBP9通过整合入以PRDM1和TFAP2C为核心的转录调控网络，来维持生殖细胞相关基因表达，并激活和维持hPGC特异性的HERVH转录程序，以实现对hPGC特化的调控。在本项目研究中，我们将以hPGC样细胞为研究载体，利用CRISPR表观遗传编辑等技术，对LBP9和HERVH在hPGC早期发育中的功能进行研究，揭示它们对hPGC特化的调控机制。

生殖细胞不仅是细胞全能性的基础，而且是包括哺乳动物在内的大多数多细胞生物将遗传和表观遗传信息传递给下一代、以保证种族延续的最关键的载体。在生殖细胞发育过程中，最早的细胞形态原始生殖细胞产生于胚胎发育早期，是发育为成熟的精子和卵子的前体细胞。然而，迄今人们对人类原始生殖细胞特化及其调控机制尚待阐明。在本项目中，我们首先利用人胚胎干细胞建立了多种报告基因和功能缺失、获得的细胞系，在此基础上，详细探讨了多能性转录因子LBP9（TFCP2L1）在hESC向hPGCLC分化过程中的功能及其机制，证实其被招募到hPGC的核心转录调控网络中，调控早期hPGC特异性基因的表达。另外，我们开发了新的微量细胞ChIP-seq技术，对人早期胚胎发育过程中反转座子的动态激活规律进行了详细分析，并与人原始生殖细胞发育过程中反转座子的动态激活进行比较，发现某些类人猿反转座子的同时在人早期胚胎合子基因组激活期和原始生殖细胞发育阶段，并且其激活可能与生殖细胞第一次减数分裂有关；特别地，作为人干细胞多能性的标记分子和重要调控因子，灵长类特有的内源性逆转录病毒HERVH以一种完全不同的模式在人原始生殖细胞发育中激活。此外，由于多能干细胞向PGCLC分化模型存在局限性，因此我们建立了发育潜能更强的全能干细胞系，并验证了其生殖系嵌合和种系传递能力，为将来开发和优化新的PGC体外发育模型，提供了新思路。最后，我们还研究了一个新母源因子PARP12在小鼠卵母细胞发育中的功能，拓展了对生殖细胞发育调控机理的认识。