【文章內容簡介】 組對干細胞的自我更新和定向分化及其調控網絡進行了較為深入的研究，取得了一些重要的研究結果，豐富和發(fā)展了以Oct4和Nanog等轉錄因子為核心的干細胞自我更新的調控網絡。這些工作為進一步在三維培養(yǎng)條件下研究干細胞自我更新的調控機制奠定了基礎。（2）項目組成員在三維培養(yǎng)體系建立、干細胞定向分化研究、定量蛋白質組學、細胞遷移與粘附、納米示蹤與成像技術等研究以及模式動物實驗體系建立等方面已有較好的積累（詳見研究基礎）。（3）參加本項目的課題組來自中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所、中國科學院動物研究所、中國科學院生物物理所、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所、中國醫(yī)學科學院基礎醫(yī)學研究所、大連醫(yī)科大學，課題組依托單位和重點實驗室都具備先進的實驗條件，為該項目的實施提供了充分必要的條件。（4）本項目所設置的四個課題組的研究內容相互聯(lián)系，研究成員之間已經建立了緊密的協(xié)作關系。（5）項目申請人戴建武研究員是中國科學院“百人計劃”入選者、國家杰出青年基金獲得者、國家重大科學研究計劃“調控干細胞自我更新能力的分子網絡研究”（20062010）項目首席科學家，為本項目的運行積累了組織和協(xié)調經驗。項目課題負責人均為相關研究領域的優(yōu)秀學科帶頭人。學術骨干隊伍由精力充沛的優(yōu)秀青年科研人員組成。5） 課題設置本項目利用細胞示蹤和成像技術，研究三維培養(yǎng)干細胞和體內干細胞自我更新與定向分化的調控機理。本項目設置四個課題：課題1 干細胞三維培養(yǎng)與自我更新調控網絡的研究課題2 三維培養(yǎng)干細胞的定向分化調控網絡研究課題3 干細胞體內維持分化與功能研究課題4 干細胞的納米示蹤與成像技術四個課題相互獨立又相互聯(lián)系，其中課題4建立的納米示蹤與成像技術在課題課題課題3的研究過程中均會得到應用。課題1和課題2的研究為體外研究，其分別研究三維培養(yǎng)干細胞的自我更新和定向分化調控。自我更新和定向分化的調控機制既相互區(qū)別又相互聯(lián)系。課題3為模式動物體內干細胞自我更新與定向分化研究，其體內的研究結果可與課題課題2體外干細胞自我更新和定向分化的研究結果相互驗證。課題1：干細胞三維培養(yǎng)與自我更新調控網絡的研究研究目標：制備出適合干細胞生長分化的三維膠原支架材料；建立多潛能干細胞和成體干細胞的三維培養(yǎng)體系，闡釋三維培養(yǎng)條件下胚胎干細胞的發(fā)育潛能與自我更新的分子機制；結合蛋白質組和磷酸蛋白質組以及microRNA分析結果探討三維培養(yǎng)條件下干細胞自我更新表觀調控機制，闡明在干細胞自我更新起關鍵調控作用的表觀遺傳網絡。研究內容：1）適合不同類型干細胞培養(yǎng)的三維支架的構建分離純化膠原蛋白，制備不同類型的三維支架材料，使其具有良好的生物相容性，適宜的硬度和孔隙結構，建立適合不同類型干細胞培養(yǎng)的三維膠原支架材料。2）三維膠原支架材料的修飾、優(yōu)化 在膠原支架材料的基礎上，將微環(huán)境中調控干細胞自我更新和分化的其它細胞外基質成份、信號分子或支持細胞等因素整合到膠原支架材料上，對三維膠原支架材料進行修飾優(yōu)化，以最大限度的模擬體內干細胞自我更新和分化的環(huán)境。3）干細胞三維培養(yǎng)體系的建立干細胞選擇多潛能干細胞ES細胞和iPS細胞，將干細胞接種于三維支架材料上，檢測并比較二維和三維培養(yǎng)的干細胞細胞學特性，包括細胞形態(tài)變化、標志蛋白表達能等。檢測并比較二維和三維培養(yǎng)的干細胞在生長和分化過程中的亞細胞結構水平的變化。4）三維培養(yǎng)胚胎干細胞發(fā)育潛能研究在建立胚胎干細胞三維培養(yǎng)體系的基礎上，探索三維培養(yǎng)胚胎干細胞的發(fā)育潛能。利用嵌合以及四倍體補償?shù)确椒ㄨb定三維培養(yǎng)胚胎干細胞體內發(fā)育潛能及細胞多能性，并與二維培養(yǎng)體系下干細胞的發(fā)育潛能相比較。5）三維培養(yǎng)干細胞的自我更新研究建立ES細胞和iPS細胞三維培養(yǎng)體系基礎上，研究調控細胞多能性的這些因子之間的調控網絡，解析其如何相互協(xié)同共同控制多能性細胞的不分化狀態(tài)。6）三維培養(yǎng)干細胞自我更新的表觀遺傳調控網絡用基因組學及蛋白質組學方法檢測并比較二維和三維培養(yǎng)的干細胞在在自我更新過程中的表觀遺傳學變化，包括蛋白質組和磷酸蛋白質組、非編碼RNA表達譜等。承擔單位：中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所 中國科學院動物研究所 大連醫(yī)科大學課題負責人：戴建武學術骨干：汪迎春、劉蕾、丁文勇、林琳、田余祥經費比例：34%課題2：三維培養(yǎng)干細胞的定向分化調控網絡研究研究目標：綜合運用細胞生物學、生物化學、材料科學及系統(tǒng)生物學研究方法，檢測三維培養(yǎng)中干細胞自我更新和分化狀態(tài)的各項指標，以建立一套完善有效的干細胞三維培養(yǎng)的評價體系。結合蛋白質組和磷酸蛋白質組分析結果探討三維培養(yǎng)條件下干細胞定向分化的分子和細胞機制，闡明在干細胞定向分化中起關鍵調控作用的信號通路和信號網絡及表觀遺傳網絡。研究內容：1）選擇成體干細胞包括神經、心肌和成肌干細胞，將干細胞接種于三維支架材料上，檢測比較二維和三維培養(yǎng)的神經、心肌和成肌干細胞分化過程中的細胞學特性，包括細胞形態(tài)變化、標志蛋白表達及細胞功能等。檢測并比較二維和三維培養(yǎng)的神經、心肌和成肌干細胞在分化過程中亞細胞結構水平的變化，包括用免疫染色及活細胞成像技術等觀測細胞粘附特性及細胞骨架結構、細胞遷移和運動特性等。2）運用生化方法檢測并比較二維和三維培養(yǎng)的干細胞分化過程中受外界信號因子誘導產生的細胞內信號通路的動態(tài)變化，分析它們各自信號轉導途徑整合的特性。3）用基因組學及蛋白質組學方法檢測并比較二維和三維培養(yǎng)的干細胞在生長和分化過程中的表觀遺傳學變化，包括蛋白質組和磷酸蛋白質組、microRNA表達譜等。4）利用已建立的人胚胎干細胞向心肌分化的體外培養(yǎng)模型,在三維培養(yǎng)條件下利用基因芯片或深度測序的方法取得基因表達譜，進行生物信息學分析，構建三維條件下心肌分化的轉錄因子網絡。承擔單位：中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所 中國醫(yī)學科學院基礎醫(yī)學研究所 中國科學院生物物理研究所課題負責人：劉佳佳學術骨干：馬躍、張宏冰、張蕾、楊艷蕊經費比例：31%課題3：干細胞體內維持分化與功能研究研究目標：通過模式動物體內干細胞自我更新與分化研究，發(fā)現(xiàn)并鑒定與神經干細胞的維持、分化相關的一些新基因，闡明其作用機制。明確三維培養(yǎng)的神經干細胞在體內的自我更新能力與分化潛能，并對其導入體內后的有效性、安全性進行評估。分析三維培養(yǎng)干細胞與體內干細胞維持與分化機制的異同，獲得干細胞調控的真實信息。研究內容：1）線蟲內源神經干細胞維持與分化的關鍵因子首先建立線蟲神經干細胞體內觀察體系，利用線蟲容易進行大規(guī)模篩選的特性，進行全基因組RNAi篩選和化學誘變。然后通過內源啟動子融合熒光實驗，探明相應調控因子的組織表達譜。運用細胞自主性拯救實驗探明該因子調控內源神經干細胞維持與分化的分子機制。2）同源干細胞分化調控因子在哺乳動物干細胞分化中的作用研究哺乳動物中相對應的同源干細胞分化調控因子，利用RNAi和基因敲除技術研究這些調控因子如何影響哺乳動物干細胞的維持與分化。3） 三維培養(yǎng)神經干細胞在小鼠紋狀體區(qū)的維持、分化與神經回路的重建將使用近紅外量子點和磁性納米顆粒對三維培養(yǎng)的神經干細胞在體外進行標記。經納米材料示蹤標記的神經干細胞將通過立體定位的方法直接注入到包裹小鼠紋狀體的腦室側壁，即神經干細胞的niche區(qū)。在細胞導入后不同時間分別使用增殖細胞、神經前體細胞、分化細胞、成熟神經元、神經突觸等特異的分子標記，系統(tǒng)地檢測外源神經干細胞在體內的維持、分化行為以及功能回路的建立。同時使用核磁共振活體成像技術，對干細胞移植動物后進行三維、非破壞性納米技術示蹤以分析外源神經干細胞在體內的增殖、定位、遷移、分化等。4) 外源神經干細胞參與神經功能的恢復使用神經退行性疾病模型小鼠—舞蹈病模型小鼠作為外源神經干細胞的受體。干細胞移植后通過檢測舞蹈病模型小鼠的運動協(xié)調能力可以直接從功能上評估外源干細胞參與神經組織修復的能力。承擔單位：中國科學院動物研究所 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所 課題負責人：唐鐵山學術骨干：丁梅、關麗英、李夏、陳倩經費比例：18%課題4：干細胞的納米示蹤與成像技術研究目標：建立干細胞納米示蹤與成像新技術，包括制備出高生物相容性、高量子產率的量子點，建立量子點標記活細胞及亞細胞組分的方法，實現(xiàn)對三維培養(yǎng)干細胞以及活體干細胞的特異性標記，建立三維培養(yǎng)干細胞和活體干細胞的三維、非損傷性的納米示蹤與成像技術。研究內容：1）高量子效率、高生物相容性量子點的制備（1） 高量子效率、高生物相容性量子點的制備：在我們已有工作的基礎上，進一步改進量子點合成技術，開發(fā)高量子效率的、熒光范圍從可見光區(qū)到近紅外光區(qū)的量子點，并提高量子點的生物相容性，滿足三維培養(yǎng)的干細胞和活體干細胞標記和成像。（2） 高生物相容性和高弛豫率磁性納米顆粒的制備：通過控制納米粒的粒徑、化學成分以及表面性質使其具有良好的弛豫性能和生物相容性。2）三維培養(yǎng)干細胞的特異性標記：與課題1和2進行合作，針對三維培養(yǎng)的干細胞及其亞細胞結構，分別用相應的識別分子（如抗體、適配體、信號肽