人多能干细胞理论上可以分化产生各种成熟的功能细胞用于细胞治疗和药物筛选等用途。但是，早期分化机理缺乏深入的研究，阻碍了各种功能细胞的高效获得。BMP信号通路的激活可诱导人多能干细胞分化，但是其下游的关键调控基因以及BMP信号通路是否与OCT-4/SOX2/NANOG核心转录复合物之间存在相互作用一直未知。我们在前期研究中通过基因芯片筛选发现，BMP和Activin信号通路受到双重抑制后，MSX(muscle segment homeobox)家族蛋白的表达显著下降，提示其可能在人类胚胎干细胞早期分化中发挥重要作用。本研究中，我们发现msh家族中的一种同源盒转录因子MSX2（musclesegmenthomeobox 2）比MSX1更快应答BMP信号刺激。进一步研究发现，MSX2可作为BMP信号通路的直接下游靶基因调控人多能干细胞从多能性状态进入中内胚层分化状态，并协同整合WNT信号的激活。利用CRISPR/Cas9系统将MSX2敲除后，人多能干细胞向中内胚层分化被阻断。利用Tet-on系统外源性过表达MSX2，能够模拟BMP信号并快速打破多能干细胞的多能性并直接诱导中内胚层分化的发生。通过分子机理研究，我们首次证实MSX2可直接结合SOX2启动子区抑制其转录，从而破坏多能干细胞的多能性维持环路起始中内胚层分化进程。同时，MSX2可直接结合NODAL 启动子区诱导其表达，而NODAL的表达则直接诱导人多能干细胞高效分化为中内胚层细胞。值得关注的是，SOX2不仅可作为下游靶基因受MSX2的直接调控，同时SOX2也可在蛋白水平上促进MSX2的降解，提示二者的相互拮抗是人多能干细胞早期命运选择的重要调控机制。综上所述，本研究以人类胚胎干细胞为模型，探讨了转录因子MSX2在中内胚层分化过程中的重要作用及机理，示了转录因子MSX2的新功能，即MSX2能够有效介导人类多能干细胞从多能状态进入中内胚层分化状态。研究的主要意义在于揭示人类多能干细胞早期分化的分子机理，特别是揭示MSX家族蛋白如何调控人类多能干细胞分化成各胚层前体细胞的分子机理，为了解人类早期发育和设计人类多能干细胞高效早期分化程序提供理论依据。