Bach1调控干细胞向血管平滑肌细胞分化的作用和机制研究

Obtaining functional vascular smooth muscle cells (VSMCs) derived from stem cells is the basis for the vascular regeneration therapy. We found that Bach1 is highly expressed in human embryonic stem cells (hESC), and knockout of Bach1 promoted the differentiation of VSMCs from stem cells and enhanced the contractile function of VSMCs. Bach1 bound to the transcript factor KLF4, but the role of Bach1 in the differentiation of VSMCs from human embryonic stem cells is largely uncharacterized. In the present study, by using Bach1 knockout and inducible Bach1 overexpressed hESC, we will determine whether Bach1 forms a transcriptional complex with KLF4, binds to the promoter of myocardin and inhibits the transcription of myocardin, and then suppresses the expression of VSMC makers, thus inhibits the differentiation of hESCs toward VSMCs. The role of Bach1 in the Ca2+ release and contractile function of VSMCs derived from hESC will be studied. By using cell transplantation model in immune deficient mice, we will investigate the role Bach1 in VSMCs for the formation of blood vessels in mice. This study may provide the molecular mechanisms of Bach1 in the regulation of differentiation of VSMCs and give the scientific basis for the vascular regeneration therapy.

从干细胞分化获得有功能的血管平滑肌细胞是血管再生治疗的基础。我们发现转录因子Bach1在人胚胎干细胞中高表达，Bach1基因敲除促进干细胞向血管平滑肌细胞分化和平滑肌细胞的收缩，Bach1与转录因子KLF4有结合，但是Bach1如何调控人胚胎干细胞向血管平滑肌细胞分化尚不清楚。本课题拟在Bach1基因敲除和诱导性Bach1过表达的人胚胎干细胞上，研究Bach1是否与KLF4形成一个转录复合体，结合在Myocardin基因启动子区抑制其表达，进而抑制平滑肌标志分子表达，抑制人胚胎干细胞向血管平滑肌细胞分化；研究Bach1对人胚胎干细胞分化的血管平滑肌细胞Ca2+释放和收缩功能的影响。在免疫缺陷小鼠细胞移植模型上，研究Bach1对血管平滑肌细胞在小鼠体内形成血管的影响。这项研究将阐明Bach1调控人胚胎干细胞向血管平滑肌细胞分化的分子机制，为血管再生治疗提供新策略。

人胚胎干细胞可诱导分化为血管平滑肌细胞，其是血管再生修复的重要细胞来源，如何从干细胞分化获得大量的有功能的血管平滑肌细胞是血管再生治疗亟需解决的科学问题。因此，深入研究调控干细胞向血管平滑肌细胞分化的分子机制，对心血管疾病的治疗具有重要意义。目前调节血管平滑肌细胞分化的分子机制还不清楚，为提供稳定的干细胞分化的血管细胞带来了困难。本项目研究了转录因子Bach1调控干细胞向血管平滑肌细胞分化的作用和分子机制。我们发现转录因子Bach1在小鼠胚胎发育早期和人胚胎干细胞中有较高表达。我们建立了Bach1基因敲除和诱导性过表达的人胚胎干细胞的细胞系，证实Bach1维持胚胎干细胞的多能性和自我更新能力。Bach1对血管平滑肌细胞的分化作用，在干细胞分化的不同时期发挥着不同的作用。在干细胞向血管平滑肌细胞分化的早期阶段，Bach1过表达抑制人胚胎干细胞向中胚层的分化并抑制平滑肌的分化，但是在干细胞向血管平滑肌细胞分化的中后期阶段，Bach1过表达促进血管平滑肌细胞的分化。对敲除Bach1的分化细胞中转录本测序分析发现Bach1参与平滑肌细胞分化过程。分子机制研究发现，Bach1招募精氨酸甲基转移酶CARM1到血管平滑肌标志基因（ACTA2，TAGLN和CNN1）的启动子区，促进平滑肌标志基因启动子区组蛋白3第17位精氨酸二甲基化（H3R17me2）修饰增多，转录激活血管平滑肌标志基因，进而促进血管平滑肌细胞的中后期分化。Bach1与精氨酸甲基转移酶CARM1的结合通过Bach1的bZip结构域介导的，缺失该结构域后Bach1不再影响血管平滑肌标志基因的表达。这项研究证实Bach1对人胚胎干细胞分化为血管平滑肌细胞发挥重要调控作用。研究Bach1调控血管平滑肌细胞的分化机制能够为干细胞来源的血管平滑肌细胞的应用提供更多依据，该研究完善和丰富了干细胞分化血管平滑肌细胞的理论基础，也为今后血管细胞移植治疗心血管疾病提供了新的策略。