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胚胎干细胞中内胚层分化过程受到细胞外各信号及其效应因子和细胞内核心转录因子、染色质重塑因子(chromatin remodeler)及表观遗传学核心调控因子的共同精细、有序、系统性的调控。目前有报道表明,在中内胚层分化过程中,转化生长因子-β(TGF-β)家族成员活化素Activin和经典的Wnt信号通路是决定胚胎干细胞向中内胚层分化的重要细胞外信号。在细胞核内,组蛋白甲基化修饰H3K27me3水平直接决定胚胎干细胞定向分化命运。然而在中内胚层分化起始阶段,Activin跟Wnt信号通路间相互关系,表观遗传学组蛋白修饰H3K27me3水平以及细胞外信号与H3K27me3水平相互关系尚未有明确的阐述与报道。在本研究中,通过建立高效的人胚胎干细胞向中内胚层分化系统,利用染色质免疫共沉淀高通量测序(ChIP-seq),我们发现H3K27me3水平在中内胚层分化起始阶段明显下调,并且这一下调促进Activin和Wnt信号通路在转录水平协同促进胚胎干细胞中内胚层分化。进一步研究表明,在中内胚层分化早期,Activin与Wnt信号通路相互协同,共同调控中内胚层标志性基因表达从而促进细胞进一步向中内胚层分化;同时Activin信号通路通过调控多梳蛋白复合体(PRC2)蛋白稳定性从而导致分化早期H3K27me3的下调。在分子机制上,Activin信号通路通过其下游效应因子Smad2,一方面募集E3泛素连接酶Smurf2降解EZH2;另一方面竞争EZH2-SUZ12相互作用,进而分解PRC2蛋白复合体,使其从染色质DNA脱落,失去活性。从而诱导中内胚层分化早期H3K27me3水平的下调。综上所述,本项研究通过对人胚胎干细胞中内胚层分化早期H3K27me3水平、细胞外信号通路相互关系和H3K27me3水平与细胞外信号相互关系的阐释,提出胚胎干细胞中内胚层分化早期的两阶段调控模式(Two-Step regulatorymodel),即:首先降低细胞内H3K27me3的水平;其次激活细胞内中内胚层特异性转录调控网络。本项研究揭示了中内胚层分化早期表观遗传学变化,以及相关的分子生物学机制,进一步为胚胎干细胞定向分化及早期胚胎发育研究提供了新的视角和分子生物学基础。同时本研究建立了细胞外信号与细胞内组蛋白甲基化修饰间的直接分子生物学相互关系,为研究基因表达调控,再生医学相关研究、应用提供了可借鉴的理论依据。