胚胎干细胞(Embryonic Stem Cells,ES细胞)是一类来源于囊胚内细胞团(ICM)的多能干细胞,这类细胞具有自我更新能力和多向分化的潜能。基于这些特性,其在基础科研和临床应用方面都存在着极为重要的应用价值。Oct4,Sox2和Nanog作为胚胎干细胞核心转录因子在维持ES细胞自我更新及多能性中起着至关重要的作用。其可与其它转录因子,蛋白修饰因子和表观修饰因子协同作用,形成ES细胞独特的转录调控网络,来维持ES细胞的自我更新和多能性。蛋白泛素化修饰系统作为一种动态的修饰过程,能够更加精密地调控ES细胞的命运。Nanog是维持干细胞全能性和促进体细胞重编程的核心转录因子。其在干细胞中主要受到等位基因水平、转录水平和蛋白翻译后修饰三个层面的调控。相对于基因转录水平,Nanog的蛋白翻译后修饰研究相对较少。Nanog含有降解决定子PEST序列,其在细胞中的半衰期非常短;蛋白酶体抑制剂能显著稳定Nanog蛋白。研究发现,磷酸化的Nanog能被E3泛素连接酶Fbxw8所识别并发生泛素化降解。这些研究表明,Nanog的蛋白稳定性受到泛素依赖的蛋白酶体途径所调控。那么,在ES细胞或是体细胞重编程过程中,Nanog是如何维持其稳定性的?是否会受到去泛素化酶的调控?我们采用双报告基因的方法,针对Nanog的蛋白稳定性进行了去泛素化酶(Deubiquitinase,DUB)文库的高通量筛选,发现去泛素化酶USP21能够明显增强Nanog的蛋白稳定性。我们通过进一步的研究发现:USP21能够与Nanog发生直接的相互作用并使其发生去泛素化,通过稳定Nanog的蛋白水平来维持ES细胞的自我更新。此外,我们通过畸胎瘤的实验发现,下调USP21能够阻碍三胚层的形成。更重要的是,过表达USP21能够明显提高体细胞重编程的效率。ES细胞在维持多能性的过程中,不仅受到外界环境(各种细胞因子等)的影响,而且也受到各种信号通路的精细调控。白细胞抑制因子(Leukocyte Inhibitor Factor,LIF)对于维持ES细胞的多能性起着重要的作用。我们发现,在ES细胞中,LIF/JAK/STAT3信号通路能够激活Usp21的表达,通过稳定Nanog蛋白来维持ES细胞的自我更新。在小鼠ES细胞分化过程中,FGF4/ERK信号通路处于活化的状态。已有研究报道,活化的ERK通过磷酸化并促进Klf2,Klf4等干性转录因子被泛素化降解,进而引起干细胞的分化。然而,我们的研究阐释了ERK可通过催化USP21第539位丝氨酸发生磷酸化修饰,并阻断USP21与Nanog的相互作用,通过下调Nanog蛋白稳定性来促进ES细胞的分化。我们的工作从不同的角度揭示了 LIF/STAT3和FGF4/ERK信号通路调控ES细胞自我更新的新机制。越来越多的研究表明,表观遗传调控在干细胞多能性的维持及体细胞重编程过程中起着关键的作用。组蛋白的泛素化修饰可调控ES细胞的自我更新。已有研究报道,组蛋白H2A的单泛素化并非蛋白质降解的信号,而是作为染色质状态的信号,通过调控染色质的结构及其它组蛋白的修饰来调控干细胞多能性及体细胞重编程。然而,H2A单泛素化修饰在ES细胞中是如何被调控的仍有待进一步研究。我们的工作表明,在ES细胞中,USP21能够被Nanog招募至组蛋白上使H2AK119位发生去泛素化,并提高了 H3K4的三甲基化水平,通过促进干性因子的表达及分化基因的沉默来维持ES细胞的干性。综上所述,我们的研究发现了一个调控ES细胞自我更新和体细胞重编程的新蛋白—USP21。该蛋白不仅能够维持ES细胞的干性,还能提高体细胞重编程的效率。此外,我们还证明了 LIF/STAT3和FGF4/ERK信号通路能够分别通过调控Usp21的表达和USP21的磷酸化,影响Nanog的蛋白稳定性,进而调控ES细胞的干性和iPS效率。最后,我们还证明了 USP21能影响H2AK119位的单泛素化水平,并通过调控H3K4me3水平来维持ES细胞的多能性。因此,我们的研究揭示了 USP21在小鼠ES细胞中的功能及其具体的调控机制,为维持干细胞干性和提高体细胞重编程效率提供了一个新的靶点,同时也为进一步研究其在人的ES细胞及肿瘤干细胞中的功能提供了相应的参考。