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神经命运决定是人脑发育最关键的过程，确保大脑正常发育，预防自闭症、精神分裂症、智力障碍等疾病的产生。然而，系统而深入的考察神经发育过程的研究并不多。在本课题研究中，我们建立了人胚胎干细胞(human embryonic stem cells，hESCs)体外神经分化系统，这是研究人类早期神经发育的理想模型。我们在hESCs神经分化过程的前22天隔天收取细胞样品，做转录组测序。基因共表达网络分析（Weighted Gene Co-Expression Network Analysis，WGCNA）显示，随着hESCs神经分化的进行，细胞转录组呈现显著性的动态变化，五个特异的核心基因表达模块(Module)依次出现，揭示出hESCs神经分化的5个阶段。对每个阶段的转录调控网络进行分析，我们发现Day8/10(Module3)阶段是细胞从多能性向神经命运转折的关键时期。在Day8/10这一转折阶段，外源信号通路不被激活，内源转录因子调控了神经命运决定，核心转录因子包括精神分裂症相关基因SIX3和视神经发育障碍相关基因HESX1。CRISPR/CAS9功能实验验证，敲除SIX3/HESX1显著地抑制了hESCs神经分化。 作为调控基因表达的重要方式之一——表观遗传调控是否参与了hESCs的神经分化和神经命运决定因子的激活目前仍不清楚。我们发现表观遗传因子AF9的表达随着hESCs神经分化逐渐上调;过表达AF9能够显著促进hESCs的神经分化，并上调一系列神经命运调控因子的表达。进一步研究发现，AF9能够特性地与DNA羟氧化酶TET2相互作用，并协同促进人hESCs神经分化过程。机制研究揭示，AF9能够通过识别特异性的DNA元件，结合在下游靶基因增强子区域，进一步通过与TET2相互作用招募TET2到相邻的GC-rich区域，促进该区域DNA羟氧化的发生，从而增强了SOX5，ZNF521，MASH1等重要神经调控因子的表达，最终推动了hESCs神经命运决定过程。 组蛋白(K3K9)乙酰化作为基因开放表达的分子标记，我们发现H3K9乙酰化在从多能性的hESCs分化到神经干细胞过程中呈现一个先降低后升高的动态变化过程，并据此将hESCs神经分化划分为两个阶段:干细胞多能性的丢失和神经命运的决定两个过程。利用组蛋白去乙酰化酶抑制剂阻断组蛋白的去乙酰化，抑制神经细胞的产生而使全能性基因维持高表达状态;而在神经命运决定阶段利用去乙酰化酶抑制剂上调组蛋白乙酰化，则促进神经干细胞的产生。这些结果提示H3K9乙酰化在hESCs多能性维持和神经命运决定中具有不同的功能。ChIP-Seq实验发现H3K9乙酰化在hESCs中主要分布在全能性相关基因的启动子区域，而该修饰在神经干细胞中则主要分布在神经发育相关调控因子的启动子区域，从而证明H3K9乙酰化在人胚胎干细胞和神经前体细胞中具有不同的下游靶基因。 通过对神经分化过程中转录因子调控网络的研究，以及对表观遗传调控的研究，我们部分阐明了人胚胎干细胞神经命运决定的机制，同时揭示了DNA修饰如何特异性地在hESCs神经命运决定中发挥功能。