微环境中缝隙连接对果蝇神经干细胞自我更新与分化的调控机制

The regulation of stem cell self-renewal and differentiation is the key to the breakthrough of stem cell therapy in clinical application. Stem cells are regulated by both intrinsic and extrinsic factors. Different kinds of glia cells form niche of neuroblasts in Drosophila central nervous system. So far, how does extrinsic factors from microenvironment regulate neuroblast functions is still poorly understood. Our preliminary data indicates that gap juctions function to regulate stem cell self-renewal and differentiation in niche. However, detailed mechanisms of the regulatory functions still remain unclear. This project has been designed to investigate functions of gap junctions in the niche in controlling neuroblast self-renewal or differentiation during neurogenesis. In this project we propose to fulfill the following aims: 1. To identify the gene expression profile changes when gap juntions in niche cells are disrupted. 2. To determine the genes or signaling pathways related to gap junctions that function in niche to regulate neuroblast functions through a genetic screen. 3. To elucidate the target signalings and regulatory mechanisms of gap junctions in controlling neuroblast functions. 4. To investigate the effects of genetic defects in neural stem cell niche on Drosophila locomotor, learning and cognition behavior. Through this project we aim to provide experimental evidence and theoretical foundation for the clinical application of neural stem cells in neural diseases, especially neurodegenerative diseases treatment.

对干细胞自我更新与分化功能的调控是干细胞治疗在临床上应用实现突破的关键。干细胞会同时受到内源性和外源性调控因子的影响，果蝇中枢神经系统中的各神经胶质细胞组成了神经干细胞的微环境，直到今天，来自微环境的生物信号对于神经干细胞自我更新和分化的调控作用还所知甚少。申请人的前期工作发现，缝隙连接在微环境中影响干细胞的自我更新和分化，但是其具体机制还不完全清楚。本项目将研究果蝇神经发育时期，微环境中缝隙连接对神经干细胞自我更新和分化功能的调控机制。拟实现目标：一、鉴定敲除缝隙连接编码基因后神经胶质细胞转录谱的变化；二、筛选通过神经胶质细胞中的缝隙连接调控神经干细胞功能的相关基因；三、阐明缝隙连接在神经胶质细胞中对神经干细胞调控的靶向信号通路和具体分子机制；四、研究相关基因缺陷对果蝇运动、学习认知行为的影响。本项目将为临床上应用神经干细胞治疗神经疾病，尤其是神经退行性疾病提供实验证据和理论基础。

果蝇中枢神经系统中的多种神经胶质细胞组成了神经干细胞的微环境，直到今天，来自微环境的生物信号对神经干细胞自我更新和分化的调控作用还不完全清楚。本项目以果蝇神经干细胞为模型研究微环境的调控作用，主要工作进展包括以下三点：一、我们证明了皮质胶质细胞中的缝隙连接会调控神经干细胞的增殖能力，这是皮质胶质细胞首次被证明从外部影响着神经干细胞的功能。二、我们分别在全体胶质细胞和皮质胶质细胞中敲除缝隙连接编码基因，通过流式细胞荧光分选技术收集神经胶质细胞，利用RNA测序鉴定了相应胶质细胞转录组的变化，这些数据将为未来探索微环境对神经干细胞功能调控机制的研究提供实验数据基础。三、我们根据缝隙连接敲降后胶质细胞转录组的变化，进行了基于RNAi的大规模遗传筛选，并发现了铁蛋白编码基因Fer1和Fer2在胶质细胞中发挥了维持神经干细胞数量及其增殖水平的功能,并且保障了视叶的正常发育。我们通过遗传学、分子生物学和生物化学的实验手段，证明了胶质细胞中的铁蛋白主要通过细胞非自主途径抑制神经干细胞中的促分化因子Pros入核来维持细胞干性和增殖能力，而皮质胶质细胞中的铁蛋白通过维持视叶神经上皮细胞的数量来保障视叶的正常发育。铁代谢的稳定对于大脑的正常发育是必要的，人体脑内铁代谢异常主要包括铁缺乏和铁过载两种情况：产前或产后的铁缺乏都会导致胎儿神经功能发育受限，包括学习和记忆功能障碍；而脑内铁过载通常表现为铁异常沉积，引起氧化应激，导致神经退行性病变。我们的研究首次发现了铁蛋白在胶质细胞中通过细胞非自主途径影响了神经干细胞的增殖和干性维持，对我们理解铁蛋白在神经系统发育中所扮演的角色及其机制提供了实验依据，并为未来临床上通过在胶质细胞中调控铁代谢来治疗神经退行性疾病提供了理论指导。