KLF3调控造血干细胞向红系细胞分化的作用机制研究

It is of great significance to study the molecular mechanism that transcription factor regulates hematopoiesis, which helps to reveal the mechanisms of stem cells directional differentiation and the pathogenesis of related diseases caused by abnormal hematopoiesis of hematopoietic stem cells. KLF3 is one member of KLFs transcription factor family, and have been reported that it was involved in the regulation of differentiation and development of adipocytes and B cells. However, to date the mechanism that KLF3 regulates erythropoiesis is still unclear. So far, our present work demonstrated that KLF3 could be one potential regulator controlling erythropoiesis by performing the analyses in erythroid K562 cells and zebrafish animal models. In this project, we intend to adopt hematopoietic stem cells from human cord blood as the primary cell model that could differentiate into erythrocytes in vitro to study the roles and disadvantages of klf3 abnormal expression (knockdown and overexpression) on erythropoiesis, to identify the key target genes of klf3 during this process, and ultimately reveal the mechanism that KLF3 regulates erythropoiesis.

转录因子调控红系分化发育分子机制的研究，对于研究干细胞定向分化机制以及造血干细胞分化发育异常导致的相关疾病的发病机理具有重要意义。KLF3是KLFs转录因子家族成员，已有报道KLF3具有调控脂肪细胞与B细胞分化发育的功能。然而，现阶段KLF3调控红细胞分化发育的分子机制尚不清楚。前期工作中，项目组已在红系K562细胞与斑马鱼动物模型中发现了KLF3很可能在造血干细胞向红系细胞分化发育机制中发挥调控作用。本项目拟以人脐带血造血干细胞为红系诱导分化发育的原代细胞模型，分析KLF3异常表达对造血干细胞红系分化发育的作用，分析KLF3在造血干细胞红系分化发育过程中调控的重要靶基因，阐明KLF3调控造血干细胞红系分化发育的作用机制。

近年来，转录因子KLFs成员调控细胞分化发育、维持干细胞干性等功能方面的研究越来越受到科研工作者的重视。KLF3是该家族的重要成员之一。已有报道，KLF3参与调控了诸多不同类型细胞包括脂肪、肌肉及血液B淋巴细胞等的分化发育等功能。KLF3在血液红细胞中表达水平非常高，以及受EKLF调控等研究结果，提示KLF3极有可能在调控人红细胞分化发育方面也具有重要调控作用。然而，分子机制并不清楚。..K562细胞是一种具有多种分化潜能的人造血祖细胞系。项目组利用K562细胞定向红系诱导分化发育的研究模型，发现KLF3缺失可促进K562细胞定向红系分化发育的表型。通过对KLF3缺失的K562细胞全基因组基因表达分析，发现与造血疾病、造血系统发育相关的分子网络受到最显著扰动。KLF3缺失也导致DEGs显著富集于红系分化发育、造血祖细胞分化、造血细胞增殖、红细胞与红系祖细胞数量维持等功能。此外，利用斑马鱼胚胎模型，项目组发现KLF3敲除的斑马鱼胚胎其原始造血不受影响，但KLF3敲除却阻碍了终极造血阶段红细胞的发育成熟过程，并导致发育早期阶段红细胞增多。通过对项目组获得的K562细胞的全基因组表达数据、以及已发表的来自小鼠的多组学测序数据的整合挖掘，鉴定了14个在红细胞中潜在受KLF3调控的候选下游靶基因。双报告基因系统与斑马鱼胚胎模型初步证实了frrs1b与glipr2基因是Klf3的下游靶基因。下一步，项目组将重点关注Klf3如何通过frrs1b、glipr2等调控斑马鱼胚胎终极造血的红细胞成熟过程，以及Klf3与这些靶基因的调控关系是否适用于人类红系分化发育过程等。重要的是，项目组已经建立了成熟的人脐带血HSCs定向红系诱导分化发育、分离纯化不同发育阶段红细胞的方法体系，以及病毒介导的蛋白异常表达等方法，为后续研究人红系分化发育的分子机制奠定重要基础。..综述，通过该项目小额资助，项目组已经明确了KLF3在调控K562细胞红系分化发育、以及斑马鱼胚胎红系造血方面的调控作用，并明确了frrs1b、glipr2等为Klf3的靶基因，达到了预期目标。但Klf3是否通过、以及如何通过这些靶基因调控人红系造血的分子机制还需要进一步探索。后续工作，项目组将利用人脐带血HSCs红系诱导分化模型结合组学测序数据，深入研究KLF3调控人红系分化发育的分子机制。