李揚/欒慶先合作揭示E2A調控人胚胎幹細胞早期分化方向的機製

2020年11月3日,北京大學基礎醫學院李揚課題組與北京大學口腔醫院欒慶先課題組合作在國際學術期刊Development發表論文“E2A regulates neural ectoderm fate specification in human embryonic stem cells”,報道了E2A蛋白調控人胚胎幹細胞早期分化的方向選擇及其機製。該研究加深了目前對於E2A蛋白相關調控的認識,也部分解釋了E2A與E蛋白家族成員參與人胚胎幹細胞早期分化的調控機製,為優化人胚胎幹細胞定向分化誘導提供了參考依據。

近年來,人胚胎幹細胞在組織工程及組織再生領域的應用引起了廣泛的關注,但是仍存在分化方向難以控製及誘導效率低下的問題,限製了其在再生領域的廣泛應用。這就要求我們對人胚胎幹細胞分化調控分子網絡機製有進一步的了解和研究。同時人胚胎幹細胞也是研究人早期胚胎發育的理想模型。E蛋白家族是I型bHLH轉錄因子,包括HEB、E2A和E2-2三個成員分子。E蛋白家族成員在小鼠的免疫細胞發育中發揮重要作用,已經被廣泛研究。然而E蛋白在人胚胎幹細胞分化中的功能及調控機製知之甚少。李揚課題組2017年揭示了HEB在人胚胎幹細胞中胚層及造血發育分化中的重要功能,並解析了其發揮功能的作用機製(Stem Cell Reports, 2017)。然而,E蛋白家族另外兩個成員分子E2A和E2-2在人胚胎幹細胞發育分化中的功能及作用機製尚待明確。

本研究報道了E2A可以參與人胚胎幹細胞的早期分化方向的選擇調控,與HEB可以促進中胚層分化調控不同,E2A可以促進人胚胎幹細胞向神經外胚層方向分化。而在分化的過程中,E2A可直接調控神經分化相關基因的表達同時抑製Nodal信號通路的活性來促進人胚胎幹細胞神經外胚層分化。

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在這項研究中,研究者首先通過CRISPR/Cas9技術構建了E2A敲除的人胚胎幹細胞模型,並分別通過體內畸胎瘤形成實驗和體外定向分化等實驗發現E2A敲除的人胚胎幹細胞神經外胚層分化受阻。並進一步通過RNA-seq和ChIP-seq高通量測序的方法揭示了E2A可通過直接調控神經分化的靶基因和調控NODAL信號通路兩種方式參與人胚胎幹細胞神經外胚層分化的調控。由於E2A的功能表現出強烈的環境依賴性,研究者推測其在神經外胚層分化的過程中可與PRC2複合體相結合來調控NODAL信號通路的活性,並進一步通過Co-IP及ChIP-seq等研究方法揭示在野生型胚胎幹細胞分化的過程中,E2A可通過與PRC2結合抑製NODAL信號通路激活劑CRIPTO的表達,進一步揭示了E2A與NODAL信號通路之間的關係。更進一步,研究者通過構建E2A/HEB雙敲除的人胚胎幹細胞係發現E2A/HEB雙敲除細胞表現出更為嚴重的神經分化受阻的表型,為E蛋白成員之間的相互作用提供了依據。該研究不僅進一步豐富了人胚胎幹細胞分化的分子調控網絡,也為明確E2A在人早期胚胎發育中的功能及機製提供線索。

2016級基礎醫學院與口腔醫院聯合培養博士研究生易思琦為本論文第一作者,基礎醫學院李揚副教授與口腔醫院欒慶先教授為本論文共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金的支持。

原文鏈接:https://dev.biologists.org/content/early/2020/11/03/dev.190298