上海生科院揭示決定人胚胎干細胞神經分化的分子機制

　　近日，中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所景乃禾研究組的最新研究進展，以Transcriptome analysis reveals determinant stages controlling human embryonic stem cell commitment to neuronal cells為題，在線發表在Journal of Biological Chemistry上。該研究根據人胚胎干細胞（human embryonic stem cells，hESCs）基因組表達的動態變化，將hESCs神經分化過程劃分為五個重要階段（modules），并找到了決定hESCs神經分化過程的關鍵階段以及核心決定因子。

　　在人胚胎發育的過程中，神經外胚層的出現發生在受孕第三周的末期。人胚胎干細胞神經定向分化是研究人類早期神經發育的理想體外模型，但hESCs神經分化的分子機制尚不清楚。hESCs在不添加外源因子的情況下發育分化為成熟的神經元是一個漫長而復雜的過程，這為分階段研究干細胞命運決定和人體內神經發生過程的分子機制提供了便利條件。

　　景乃禾研究組利用已建立的hESCs神經分化體系，在神經分化的前22天隔天收取細胞樣品，對所收取的細胞樣品進行轉錄組測序。數據分析顯示，hESCs向成熟神經元的分化過程遵從體內神經發育的規律，細胞轉錄組呈現顯著的動態表達變化，五個特異的性表達基因模塊（module）依次出現。根據這些module基因的動態表達特征，研究人員將hESCs神經分化過程分為五個階段，每個module中可鑒定出對應于特異神經分化階段的標記基因。研究還發現，FGF、TGF-β、WNT、HEDGEHOG和NOTCH等重要細胞信號通路在hESCs神經分化過程中次序活化。進一步將這一數據與已經發表的轉錄組數據進行對比分析，發現對應于分化至第8-10天的Module 3階段，是多能干細胞神經命運決定的關鍵時期。有趣的是，這一階段并沒有已知信號通路的活化，通過數據分析，研究人員找到了對神經命運決定起關鍵作用的轉錄因子。利用CRISPR/Cas9基因敲除技術，研究該階段關鍵轉錄因子SIX3和HESX1的功能后，發現它們對多能干細胞的神經命運決定是必需的。因此，通過對分階段轉錄組的動態變化研究，研究人員從胞內基因表達和胞外信號通路兩方面對hESCs神經分化的分子機制進行了闡明，為誘導hESCs高效分化為特定神經元亞型以及相關的轉化應用奠定了基礎。

　　研究工作得到了國家科學部、國家自然科學基金委和中科院戰略性先導科技專項（A）的資助。