胚胎干细胞定向分化中大片段异染色质修饰的全基因组动态及"上锁"假说

表观遗传机制在正常发育和疾病的发生过程中起着关键作用。申请人在小鼠和人类细胞中发现大量异染色质特异的大片段组蛋白修饰H3K9Me2（命名为LOCK）。LOCK在小鼠ES细胞中相对稀少但在体外随机分化后显著的增加。本项目提出干细胞定向分化的"上锁"假说：假设以LOCK为代表的大片段异染色质修饰随定向分化的进程而增加，以逐步"锁住"细胞的分化潜能；同时LOCK作为高级结构染色质的信息载体将促成谱系特异的表观遗传记忆。本课题拟用小鼠ES细胞向肝脏细胞的定向分化系统为模型，建立若干重要组蛋白修饰的全基因组动态图谱，着重探讨定向分化中LOCK的变化规律及其与二价结构域（Bivalent domain）和基因表达之间的关系，以检验"上锁"假说。本项目将为阐明干细胞定向分化的表观基因组学机制提供重要数据，同时还将在全基因组层面确定特异性的表观遗传标记，有助于肝脏细胞定向分化的方法学改进。

表观遗传机制在正常发育和疾病的发生过程中起着关键作用。体外干细胞的定向分化是其应用于疾病的细胞治疗和药物筛选的基础。干细胞的分化过程本质上是由表观遗传机制所调控的。申请人在小鼠和人类细胞中发现大量异染色质特异的大片段组蛋白修饰 H3K9Me2（命名为 LOCK）。LOCK 在小鼠 ES 细胞中相对稀少但在体外随机分化后显著的增加。首先我们建立了高效稳定的小鼠胚胎干细胞-上胚层样干细胞-定型性内胚层细胞的体外分化体系，并以此为细胞模型，获得小鼠 ES 细胞向定型性内胚层分化的全基因组基因表达图谱并分析获得了一批与定型性内胚层细胞分化高度相关的基因和信号通路。同时通过原初染色质免疫沉淀获得了蛋白修饰H3K9me2的全基因组动态图谱，结果显示H3K9me2在分化后细胞中的分布较之于ES细胞在覆盖率及片段大小上均明显增加，初步验证了项目提出的干细胞定向分化的"上锁"假说。随后的研究发现H3K9me2甲基化酶（如G9a）和去甲基化酶（如KDM7a）是胚胎干细胞分化所必需的。同时我们通过RNA-seq发现了超过150种基态ES细胞特异的长非编码RNA。初步的功能分析发现很多lncRNA对于ES细胞的自我更新及分化具有重要作用，进一步研究发现一些ES特异的lncRNA与CBX3等H3K9me2效应因子相互作用，提示lncRNA参与ES细胞分化过程中的“上锁”过程。本项目将为阐明干细胞定向分化的表观基因组学机制提供重要数据，同时在全基因组层面确定特异性的表观遗传标记，从而为干细胞在人类发育生物学研究中的应用和临床的细胞治疗打下基础。