SOX21调控人胚胎干细胞早期神经命运决定的分子机制

Human embryonic stem cells (hESCs) could be directed into neurons and glial cells, providing an ideal cell source for cell therapy of neural degenerative diseases and in vitro model for studying of human neural development. In the preliminary study, we performed RNA-seq during neural differentiation of hESCs and series of functional studies, finding that the transcription factor SOX21 was required for neural fate determination and forebrain character establishment. However, it remains unclear how SOX21 executes this function. In this project, we plan to further validate the function of SOX21 through site-specific overexpression, CRISPR/Cas9–mediated gene knockout, and transcriptome profiling. Furthermore, we will systemically investigate the molecular mechanism by which SOX21 controls neural fate through ChIP-seq and proteomic analysis. This study will not only enrich our understanding of early human neural development, but also pave ways for the optimization of neural subtype differentiation from hESCs.

人胚胎干细胞（hESC）可以模拟体内神经发育，定向分化成神经元和胶质细胞。这不仅为神经退行性疾病的细胞移植治疗提供了材料，而且是一个体外研究人类早期神经系统发育的理想模型。申请人所在课题组通过对hESC神经分化过程的动态转录组测序、数据分析及相关功能研究，发现转录因子SOX21是hESC神经分化和建立前脑特征所必需的因子。但是，SOX21如何行使该功能尚不清楚。在本项目中，我们计划通过定点过表达、CRISPR/Cas9介导的基因敲除、转录组测序等手段进一步确定SOX21 对hESC早期神经分化的重要调控作用。在此基础上，利染色质免疫沉淀-DNA测序和蛋白质免疫共沉淀-蛋白质谱等技术，系统地研究SOX21调控人类早期神经命运决定的分子机制。该项目的完成不仅能够增加我们对人类神经分化机制的理解，也为优化神经分化技术提供理论基础。

如何在体外获得具有区域特性（Regional identity）的神经祖细胞（Neural progenitor cells，NPCs）是实现干细胞临床应用的关键问题之一。由于伦理的限制和对体内生理研究的缺乏，有关人类早期神经系统区域化（Regionalizaiton）的调控机制研究非常有限。本项目建立了人胚胎干细胞（Human embryonic stem cells，hESCs）向神经前后轴各个区域（包括端脑、间脑、中脑、后脑和脊髓）分化的体外分化系统。通过对hESC神经分化过程的动态转录组测序、数据分析及相关功能研究，发现转录因子SOX21是早期神经分化和建立前脑特性所必需的因子。SOX21敲除后的差异基因分析的结果表明，SOX21基因缺失导致Wnt信号通路异常激活，前脑前部NPCs命运被后部化。此外，SOX21全基因组结合位点的分析结果表明WNT8B是SOX21直接调控的下游靶基因。与上述发现相一致，敲除WNT8B或者抑制Wnt信号通路均可恢复SOX21缺失所引起的前脑NPCs异常区域化的表型。利用蛋白质免疫共沉淀技术及质谱分析方法，我们发现SOX21通过与beta-catenin相互作用，干扰TCF4/beta-catenin复合物在WNT8B下游增强子区域的结合，从而抑制了WNT8B的表达，最终影响了分化过程中前脑前部NPCs的区域特性的形成。综上所述，我们发现了SOX21通过与Wnt信号通路相互作用调控早期神经区域化建立的新机制。这些发现为人胚胎干细胞和人神经前体细胞的临床应用提供了重要的理论基础。