哺乳动物干细胞非对称分裂过程中组蛋白的分配模式及其对细胞命运决定作用的研究

Stem cells produce two daughter cells with distinct fates via asymmetric cell division (ACD): one becomes the new stem cell; the other undergoes differentiation. Histones carry epigenetic modification that is pivotal in regulating gene expression by changing chromosome folding status, which is believed to play important roles in fate determination. Unlike regular mitosis, in order to setup different gene expression profiles within two different daughters, stem cells need to segregate histone differently during ACD. Thus, the traditional molecular mechanisms for the maintenance of histone modification during cell cycle cannot fully explain why the daughters are capable of establishing distinct epigenetic landscapes right after a short cell cycle and enter different fates. We demonstrated that Drosophila male germline stem cells (GSCs) retain the old histones, which are rich in epigenetic modifications, after ACD. However, the histone distribution pattern in mammalian stem cells during ACD remain unclear. Therefore, this proposal is raised to develop a new experimental platform to study the histone segregation patterns in mammalian embryonic/ adult stem cells and their influences to self-renewal and differentiation. In addition, to further understand the association of histone distribution defects with degenerative diseases and tumor, we will use neural stem cell (NSCs) lineage as a model to explore the function of histone distribution patterns for epigenetic landscape establishment and lineage development in mammalian stem cells. This study will provide a primary foundation for understanding the mechanisms underlying stem cell homeostasis and their clinical applications.

干细胞通过非对称分裂（ACD）产生两个不同命运子细胞：一个成为新干细胞；另一个进入分化。组蛋白修饰调控基因表达，进而影响细胞命运决定。与普通有丝分裂不同，干细胞在ACD时，需将组蛋白修饰信息差异分配，从而对子细胞内干性/分化基因差别设定。因此，传统组蛋白修饰的维持机制不能完全解释ACD后子细胞如何迅速建立不同的表观遗传环境并走向不同命运。我们证明，果蝇生殖干细胞在ACD后，旧组蛋白被新干细胞特异地保留。但哺乳动物干细胞ACD中组蛋白的分配模式仍不清楚。因此，本项目提出：1）利用可诱导的小鼠胚胎干细胞ACD系统，探索组蛋白分配模式及其对干细胞更新/分化的影响。2）为探索组蛋白分配模式与组织退化、肿瘤等疾病的关联性，我们将以类脑器官中神经干细胞ACD为模型，在组织环境下探讨组蛋白分配模式对神经干细胞维持和脑发育的影响。此研究将为干细胞的干性维持机制，以及临床应用提供必要的理论依据。

非对称细胞分裂（ACD）是干细胞维持动态平衡及组织稳态的关键机制，不容差错。ACD的变化会导致诸如肿瘤或组织退行等严重疾病的发生。ACD的调控机制丰富多样，一直以来是干细胞研究领域的重要课题。由于原计划 “目标1”的内容被项目组前成员于项目执行中期（2020年）在其新单位发表，导致原计划的研究内容失去新颖性。鉴于此，项目组调整研究方向，将精力集中聚焦在研究哺乳动物胚胎干细胞ACD过程中，组蛋白修饰酶对组蛋白在干细胞分裂中分配模式的调控机制，并探索其对干细胞后续谱系发育的影响。研究发现，组蛋白H3第三位Thr的特异性激酶Haspin能巧妙平衡小鼠胚胎干细胞的ACD自然发生率，并发现了其作用机制是通过非经典Wnt信号通路来实现的；项目组进一步以神经干细胞为模型，并以荧光转化标签技术为基础，通过时间特异性调控，实现区分新旧组蛋白标签的状态，进而观测组蛋白的分配模式。最后，项目组在小鼠子宫内膜损伤模型中，探究了哺乳动物干细胞ACD的变化对组织修复的作用及机制。发现HOXA10基因的表达会影响干细胞ACD的自然发生比率，并证明HOXA10能帮助受损子宫的显著恢复其容受性等关键生理指标，并在功能上促进损伤子宫的孕产能力的恢复。综上，项目组利用多种细胞及动物模型，结合基因编辑及测序等技术，鉴定出ACD新的调控路径，并在生物学功能上发现其对干细胞谱系发育的重要作用。 为进一步理解干细胞ACD的调控机制以及相关疾病的发生提供了新的理论视角，也为干细胞用于组织损伤修复的转化提供新方案。

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