BMPs通过调控组蛋白甲基化抑制体细胞重编程的机理研究

Histone 3 lysine 9 (H3K9) methylation plays critical role in epigenetic regulation by relating to heterochromatin and transcriptional repression. We reported that the murine somatic reprogramming was influenced by extra-cellular environment and serum could inhibit the generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs). Further investigation revealed that bone morphogenetic proteins (BMPs) repress somatic reprogramming at an intermediated state through regulating H3K9 methylation. The purpose of this project is to indicate the pathway that BMPs regulate H3K9 methylation, and then investigates the BMPs-driven H3K9 pattern on genome-wide level with further reprogramming model based on pre-iPS cells. Taken together with pluripotent transcriptional network, we attempt to demonstrate that how BMPs influence induced pluripotency through H3K9 methylation. This study would provide an example for investigating how signaling factors influence cell fate determination through epigenetic regulation.

组蛋白H3的9位赖氨酸残基（H3K9）甲基化与异染色质的形成及转录抑制直接相关，是重要的表观遗传修饰位点之一。本课题组之前报道了胞外环境对小鼠体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPS细胞）的过程有重要影响，并发现血清对该过程具有显著的抑制作用。进一步研究发现血清中的骨形成蛋白（BMPs）可通过调控H3K9的甲基化将iPS细胞诱导过程阻碍在一个稳定的中间状态（pre-iPS细胞）。本研究拟进一步利用pre-iPS细胞模型进一步对该现象进行深入研究，首先确定BMPs信号通路下游影响H3K9甲基化的靶标酶，然后通过ChIP-seq方法在基因组水平上获知BMPs调控的H3K9甲基化位点，结合已知的多能性核心基因分析其启动子区的H3K9甲基化的受调控模式，从而在组蛋白甲基化层面确定BMPs抑制体细胞重编程的分子机制。本研究旨在通过研究一个范例，揭示信号转导因子是如何通过表观遗传层面影响细胞命运决定的。

本课题以体细胞重编程到多能干细胞的中间状态（pre-iPS）作为细胞模型，研究胞外的骨形成蛋白（BMPs）信号通路是如何通过调控H3K9 甲基化来影响多能性建立，将完善胞外信号因子调控表观遗传修饰的研究，阐述体细胞重编程过程中重要的表观遗传障碍，研究结果将作为一个范例，显示胞外的信号转导分子是如何通过调控表观遗传层面，例如组蛋白特定位点的甲基化修饰，有针对性地影响细胞命运决定。.根据前期结果和研究计划，我们首先利用siRNA，在pre-iPS继续重编程模型中干扰各种组蛋白甲基化修饰酶类的表达，筛选对继续重编程过程有显著影响的酶。结果显示，干扰H3K9甲基化酶的表达能显著促进pre-iPS的继续重编程效率，尤其是Eset效果最为显著，干扰Eset后96h，pre-iPS能达到近100%的重编程效率；而干扰H3K9的去甲基化酶，则会抑制pre-iPS的继续重编程，同时对Eset的促进效果有拮抗作用。随后我们通过ChIP-qPCR实验证实在pre-iPS中，核心多能因子的Oct4调控区域由于被H3K9me3修饰，导致Oct4不能在这些位点结合调控激活这些核心多能因子的表达，干扰Eset能显著降低这些调控位点的H3K9me3水平。BMP能将重编程阻滞在pre-iPS的中间状态并抑制pre-iPS的继续重编程，研究显示BMP能上调pre-iPS中上述核心多能因子Oct4调控区的H3K9me3水平，并进一步证实BMP下游Smad1蛋白能与Eset相互作用，这种相互作用在BMP4存在下被增强。最后，我们提出了BMP4（胞外信号）通过影响H3K9甲基化水平（表观遗传修饰）来抑制重编程和继续重编程效率的作用模式。基于这一新机制，我们尝试发掘重编程过程及多能性调控的其他类似机制，研究发现Vc能调控DNA去甲基化相关酶Tet1在重编程中的功能，使其从促进重编程转为抑制重编程。本课题的相关系列研究整理为论文后，相继发表在《Nature Genetics》等杂志上，并受到广泛引用。.该研究阐明了本领域困扰已久的不完全重编程现象的成因，进而解决该问题对iPS技术应用的障碍，也提供了信号转导能够通过表观遗传层面调控细胞命运的范例，在细胞命运决定和表观遗传领域有重要的基础理论价值。