功能性神经元转分化的表观遗传调控机制

Neural transdifferentiation, also known as lineage reprogramming, is a process in which one type of mature somatic cell, such as fibroblast, transforms into functional mature neurons. Now, neural transdifferentiation is one of the most important and hot research areas of cell reprogramming. We hypothesize that epigenetic regulation might play an important role in the process of neural transdifferentiation, but little is known about underlying mechanism of epigenetic regulation of neural transdifferentiation. Since the neural transdifferentiation is based on the development of neural induction and neurogenesis both in vivo and in vitro, the studies on the epigenetic regulation involved in early neural development should be helpful to uncover the epigenetic regulation in neural transdifferentiation. In this project, we will focus on studying the epigenetic regulation involved in both the neural differentiation of pluripotent stem cell and the conversion from fibroblast to neuron, and try to elucidate the epigenetic mechanism of neural transdifferentiation and cell reprogramming.

功能性神经元转分化是指从终末分化的体细胞，如成纤维细胞，转分化为功能性神经元，是细胞重编程研究的一个最前沿、最热门的领域。表观遗传调控可能参与了功能性神经元转化的过程。但是，有哪些表观遗传因子在神经元转分化过程中发挥作用仍不清楚，表观遗传调控因子在神经元转分化过程中的详细作用机制也需要深入研究。功能性神经元的转分化是基于早期神经发育和干细胞神经定向分化理论和机制而建立和发展的，因此，研究干细胞神经定向分化过程中的表观遗传调控对于揭示神经元转分化的表观遗传机制具有重要的指导和补充作用。在本项目，我们将从细胞重编程之神经元转分化的表观遗传调控和干细胞神经定向分化的表观遗传机制两个方面，从不同细胞间的转分化和正向的干细胞分化两个角度，系统地揭示神经元转分化的表观遗传机制。

功能性神经元的转分化是基于早期神经发育和干细胞神经定向分化理论和机制而建立和发展的，因此，研究干细胞神经定向分化过程中的表观遗传调控对于揭示神经元转分化的表观遗传机制具有重要的指导和补充作用。本项目研究发现组蛋白乙酰化修饰作为一种重要的表观遗传修饰在胚胎干细胞的早期神经命运决定中发挥了极其重要的功能。1.在胚胎干细胞神经分化过程中的上胚层阶段，抑制组蛋白去乙酰化酶活性可以显著抑制胚胎干细胞的神经分化，并促进中内胚层分化。机制研究发现，HDAC1特异地结合到nodal基因区域，并且组蛋白去乙酰化酶抑制剂能显著上调nodal的表达。Nodal信号的活化介导了组蛋白去乙酰化酶抑制剂以及HDAC1缺失导致的抑制神经命运和促进中内胚层命运的表型。在E7.0天小鼠胚胎前端上胚层细胞中抑制组蛋白去乙酰化，可以激活nodal的表达，从而抑制其神经命运决定。本研究揭示了组蛋白去乙酰化作为细胞内在的一种表观遗传机制，在前端上胚层细胞中通过抑制Nodal促进前端上胚层细胞的神经命运决定。本项研究成果即将在国际知名学术期刊Nature communications上在线发表。2.在胚胎干细胞体外神经分化的0-4天，H3K9乙酰化水平逐步下调，而在分化的4-8天其水平则逐步上调。相应的，伴随着神经分化的进程，H3K9乙酰化在全能性相关基因的基因组上的富集减少，而在神经发育相关基因的基因组上的富集则显著增加。机制研究发现，组蛋白去乙酰化酶抑制剂能给通过抑制HDAC3的活性促进全能性基因的表达并维持人胚胎干细胞的全能性，而在神经分化过程中，组蛋白去乙酰化酶抑制剂则能拮抗HDAC1/5/8的抑制效应，从而促进神经发育相关基因的表达。本项研究成果已经于2013年在国际性学术期刊JBC发表。3.AF9对于人胚胎干细胞神经分化和神经发育相关基因的转录激活是充分且必要的。DNA羟氧化酶TET2能够与AF9相互作用，并且AF9和TET2共同定位于5-hmC阳性的神经细胞中。机制研究发现，AF9通过识别含有AAC的作用原件并结合靶基因启动子区域，并招募TET2结合到AF9和TETET2的共同下游基因，介导5mC向5hmC的转变并激活这些神经发育关键因子的表达，从而促进人胚胎干细胞的神经命运决定。本项研究成果正在被国际知名学术期刊Stem Cell Reports接收(revision)。