microRNA-34及其下游反转录转座子MERVL调控多能干细胞类全能性之分子机理研究

长期以来，对于多能干细胞潜能态的研究主要集中于在多能性。申请人的前期研究揭示了多能干细胞与更早期胚胎的全能性相似的潜能态（后称“类全能性”,totipotent-like）的调控机制：miR-34缺失的多能干细胞具有类似胚胎发育中全能性 (totipotency) 的分化潜能, 可以于在体（in vivo）条件下发育为胚胎内组织以及胚胎外组织。这为理解“类全能性”性状的调控机制提供了一条全新的途径。申请人的前期研究亦发现miR-34的下游靶基因Gata2以及其调控的反转录转座子MuERV-L（MERVL）可能为调控此一类全能性性状的重要因子。这一发现显示一般被视为垃圾DNA或是自私基因的转座子可以和宿主基因体互动, 进而调控宿主的生物功能,揭示了生命体中非编码RNA,编码基因和转座子的复杂互动关系。..本项目基于计划，探索了miR-34缺失导致类全能性潜能的分子机制。我们首先构建了受转座子MERVL调控的候选因子Tead4及Gata4的特异性敲除小鼠。此一小鼠敲除MERVL-Tead4 或MERVL-Gata4转录本的MERVL启动子单元（Tead4DMERVL及Gata4DMERVL），而不影响原先基因上游的启动子。如果MERVL是通过调控Tead4或Gata4发挥作用的，我们将发现纯合小鼠出现胚胎发育的缺失。然而，我们发现失去MERVL对Tead4或Gata4的调控并不影响小鼠的胚胎发育。此一现象说明MERVL并非通过单一基因，而是通过下游基因的协同作用调控干细胞的类全能性。..根据此一结果，我们探索了MERVL的上游基因Dux对多能干细胞的类全能性的影响。利用类囊胚（blastoid）作为验证类全能性的平台，并通过生物信息学的方式寻找早期胚胎发育的关键转录因子。作为研究工具，我们开发了能在人多能干细胞中进行基因编辑的腺嘌呤碱基编辑器（ABE）以及先导编辑器（PE），并验证了其安全性。我们发现，在胚胎干细胞中同时表达Duxf3、Duxbl、Smad4、Mecom,Sox17五个转录因子能够将胚胎干细胞转化为具有类似胚胎全能性时期特性的细胞，形成类囊胚，并在离体条件下持续发育。我们的研究第一次以转录因子组合的方式将多能性细胞转化成为能单独组成类囊胚体的类全能性细胞，为胚胎全能性机制开启了新的理解途径。