近日，中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所景乃禾研究组的最新研究进展，以 Transcriptome analysis reveals determinant stages controlling human embryonic stem cell commitment to neuronal cells 为题，在线发表在 Journal of Biological Chemistry 上。
该研究根据人胚胎干细胞（human embryonic stem cells，hESCs）基因组表达的动态变化，将 hESCs 神经分化过程划分为五个重要阶段（modules），并找到了决定 hESCs 神经分化过程的关键阶段以及核心决定因子。
在人胚胎发育的过程中，神经外胚层的出现发生在受孕第三周的末期。人胚胎干细胞神经定向分化是研究人类早期神经发育的理想体外模型，但 hESCs 神经分化的分子机制尚不清楚。hESCs 在不添加外源因子的情况下发育分化为成熟的神经元是一个漫长而复杂的过程，这为分阶段研究干细胞命运决定和人体内神经发生过程的分子机制提供了便利条件。
景乃禾研究组利用已建立的 hESCs 神经分化体系，在神经分化的前 22 天隔天收取细胞样品，对所收取的细胞样品进行转录组测序。数据分析显示，hESCs 向成熟神经元的分化过程遵从体内神经发育的规律，细胞转录组呈现显著的动态表达变化，五个特异的性表达基因模块（module）依次出现。
根据这些 module 基因的动态表达特征，研究人员将 hESCs 神经分化过程分为五个阶段，每个 module 中可鉴定出对应于特异神经分化阶段的标记基因。研究还发现，FGF、TGF-β、WNT、HEDGEHOG 和 NOTCH 等重要细胞信号通路在 hESCs 神经分化过程中次序活化。
进一步将这一数据与已经发表的转录组数据进行对比分析，发现对应于分化至第 8-10 天的 Module 3 阶段，是多能干细胞神经命运决定的关键时期。有趣的是，这一阶段并没有已知信号通路的活化，通过数据分析，研究人员找到了对神经命运决定起关键作用的转录因子。
利用 CRISPR/Cas9 基因敲除技术，研究该阶段关键转录因子 SIX3 和 HESX1 的功能后，发现它们对多能干细胞的神经命运决定是必需的。因此，通过对分阶段转录组的动态变化研究，研究人员从胞内基因表达和胞外信号通路两方面对 hESCs 神经分化的分子机制进行了阐明，为诱导 hESCs 高效分化为特定神经元亚型以及相关的转化应用奠定了基础。
研究工作得到了国家科学部、国家自然科学基金委和中科院战略性先导科技专项（A）的资助。