化合物来源的iPS细胞与其它多能干细胞的全基因组DNA甲基化差异分析及分化潜能研究

Transcription factor-induced reprogramming methods are widely used in the past ten years, but there are some defects. However, small molecule compounds can replace exogenous factors to realize the somatic cell reprogramming and derive chemical induced pluripotent stem cells (CiPSCs), but it is still not clear about the epigenetic status and development potential of CiPSCs. We have established CiPSCs and discoverd that their differentiation abilities in vitro were similar to mouse ESCs. In this study, we will use the technologies, such as high throughput transcriptome sequencing, DNA methylation sequencing, bioinformatics and tetraploid embryo complementation to explore the transcription, DNA methylation status and the developmental potential in vivo of CiPSCs. And we will focus on the differences in genome-wide methylation levels and imprinted status among chemical- and transcription factor- induced pluripotent stem cells and mouse ESCs. Moreover, we will further explore the mechanism involved the differentiation potential. This study will help to inspire people to explore the mechanisms of chemical reprogramming, and make a better estimate on the clinical application security of CiPSCs.

转录因子诱导体细胞重编程是近十年来使用比较广泛的重编程方法，但是存在一些缺陷；而小分子化合物可以代替外源因子实现体细胞重编程，但是其获得的化学诱导多能干细胞（CiPSCs）的表观遗传状态以及发育潜能如何，目前还不清楚。本项目在前期已经建立了小鼠CiPS细胞株，并发现其体外分化多能性和小鼠ESCs相似。本研究将采用高通量转录组测序、全基因组DNA甲基化测序、生物信息学以及四倍体补偿等研究手段，对CiPSCs的转录水平、DNA甲基化状态以及体内发育潜能进行探究，其重点比较CiPS、转录因子诱导来源的iPSCs以及小鼠ESCs的全基因组甲基化水平和印记基因状态差异，初步探所造成印记状态差异的原因；深入研究其分化潜能，从而对CiPSCs临床应用安全性有更好的预估。

转录因子诱导体细胞重编程是近十年来使用比较广泛的重编程方法，但是存在一些缺陷；而小分子化合物可以代替外源因子实现体细胞重编程，但是其获得的化学诱导多能干细胞（CiPSCs）的表观遗传状态以及发育潜能如何，之前并没有相关报道。本项目建立了小鼠CiPS细胞株，并发现其在体外分化潜能和小鼠ESCs相似。我们通过简并亚硫酸盐测序（RRBS）和转录组测序分别获得了C-iPSCs、4F-iPSCs和mESCs的DNA甲基化组和转录组数据。结果显示这三种干细胞的CpG位点的甲基化水平整体上相似。但是4F-iPSCs和C-iPSCs中分别有14%和3%的CpG位点的甲基化程度高于mESCs。此外，我们在4F-iPSCs和C-iPSCs中，鉴定了614个差异甲基化区域（DMR），其中593个在4F-iPSCs被高甲基化，只有21个低甲基化。这些结果表明两种诱导多潜能干细胞的甲基化程度都高于mESCs，但是4F-iPSCs的甲基化程度明显最高。我们接着分析了C-iPSCs和4F-iPSCs中位于启动子区的DMR的甲基化程度，发现这些DMR在4F-iPSCs绝大部分甲基化程度高于C-iPSCs和mESCs，而C-iPSCs与mESCs相似。同时，相对应的基因在4F-iPSCs被沉默，而其在C-iPSCs中表达水平与mESCs相似。更重要的是，我们发现在发生差异甲基的这些基因中，有约三分之一是印记基因。进一步分析发现，C-iPSCs与mESCs的印记基因有相似的DNA甲基化和表达水平，而4F-iPSCs中印记基因大多被异常DNA高甲基和沉默。总之，C-iPSCs中印记基因状态与mESCs相似，而在4F-iPSCs中的印记基因有很多发生异常DNA甲基化，并导致基因表达沉默。. 综上，我们的研究结果表明小分子诱导重编程为基础研究和将来临床应用都提供了一个良好的策略。

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