Nup210在小分子化合物组合诱导小鼠成纤维细胞转分化为神经干细胞中的作用及机制研究

Neural stem cells (NSCs) are valuable for both basic research and clinical application. We found that cocktail of small molecule compounds could convert mouse fibroblasts into NSCs, which were named as chemical-induced NSCs (ciNSCs). We also found that the converting process was accompanied by stepwise activation of nucleoporin Nup210 and Sox2. Based on these findings, we speculate that the chemical cocktail activates Sox2 expression is through Nup210 at early time and maintains the interaction between them later, which leads to ciNSC generation. However, the mechanism underling Nup210 regulating Sox2 or Nup210 interacting with Sox2 remains unknown. In this study, we are going to focus on three key questions: 1. How does Nup210 regulate Sox2 then help converting mouse fibroblasts into ciNSCs? 2. Whether Nup210 interacts with Sox2 to maintain ciNSC function? 3. Is it possible to convert mouse fibroblasts into ciNSCs at higher efficiency with new chemical cocktail in comparison with previous one, based on uncovering the proposed molecular mechanism? This study will not only help us understating the molecular mechanism of cell conversion from mouse fibroblasts into NSCs by chemical cocktail, but also shed light on the elucidation of the mechanism of other functional cell generation via chemical induced cell fate change.

神经干细胞具有重要的基础研究和临床应用价值，我们前期研究发现小分子化合物组合可以诱导小鼠成纤维细胞转分化为神经干细胞，并且该诱导过程中伴随着核孔蛋白Nup210的阶段性激活以及关键转录因子Sox2的表达。基于此，我们推测小分子化合物组合通过Nup210激活Sox2表达并维持二者相互作用，从而诱导神经干细胞产生。但对于Nup210如何调控Sox2的表达，二者之间如何相互作用的机制与意义尚不清楚。因此，本课题将对如下科学问题进行研究：1、Nup210如何调控Sox2表达，从而促进细胞转分化的产生？2、Nup210是否与Sox2相互作用维持诱导产生的神经干细胞的生物学功能？3、基于以上研究，能否获得新的小分子化合物组合，从而进一步提高细胞转分化的诱导效率？该研究结果将不但阐明小分子化合物组合诱导小鼠体细胞转分化为神经干细胞的分子机制，而且为其他小分子化合物组合调控细胞命运转变的研究提供了借鉴。

小分子化合物介导的直接细胞细胞重编程，不但为获得功能性靶细胞提供了全新的方式，而且具有极强的临床转化价值。我们在早期发现靶向HDAC、TGF-beta和GSK-3beta的小分子抑制剂VPA、CHIR99021和Repsox能够激活转录因子Sox2，从而在含有EGF和FGF的神经培养液及低氧条件下，诱导成纤维直接重编程为神经干细胞。在此基础之上，通过单细胞分析以及染色质开放检测技术（ATAC-seq）等，我们发现小分子化合物组合不但可以激活Sox2，而且可以激活其家族的另外两个因子Sox1和Sox3等，在此过程中，核孔复合物Nup210发挥重要作用。此外，整个诱导过程中，阶段性的激活多种生长因子和细胞因子，包括IL6，FGF5和LIF，也发挥重要作用，尤其重要的是，仅仅通过优化三种因子的阶段性处理，也可以诱导成纤维细胞具有神经祖细胞样细胞特性，从而揭示微环境及因子，在细胞命运转变中的重要调控作用。有趣是，我们进一步发现，相同的小分子化合物组合，处理相同的起始细胞或不同的起始细胞，通过改变培养微环境中的多种因子，可以诱导相同体细胞向不同的靶细胞发生转变。据此，我们成功诱导小鼠成纤维细胞直接重编程为生血内皮细胞、小鼠已分化血细胞重编程为造血祖细胞，进一步利用遗传谱系示踪技术和单细胞分析技术，构建了上述不同血细胞重编程的精准轨迹图谱。上述研究，不但丰富了小分子化合物诱导体细胞直接重编程获得的靶细胞，尤其是具有重要临床转化和应用价值的血细胞，而非加深了对于分子机制的理解。