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1、项目名称：上皮组织的形成、更新及其调节机理首席科学家：朱学良 中国科学院上海生命科学研究院起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题： 本项目希望解决的关键科学问题是上皮组织的形成、维持、再生的机理及其与疾病的关系。由于上皮组织的多样性和形态、结构的复杂性，我们将针对上皮组织的特点，以乳腺、肝脏、气管的上皮组织为对象，重点探究以下几方面的问题：（1） 微环境和信号通路怎样调节乳腺等上皮组织的干细胞的自我更新与分化？（2） 能否通过转分化获取人类肝类似细胞（iHep）并实现其在肝脏中的组织重建，突破肝脏再生医学研究中自体种子细胞来源的瓶
2、颈？ （3） 上皮组织细胞（包括干细胞）极性分裂的机理，以及极性分裂怎样调节干细胞命运和组织形成？（4） 纤毛上皮细胞定向分化机理、功能及相关疾病？（5） 上皮组织的EMT与细胞迁移的调节机理及其在组织形成和修复中的作用？（6） 上述生命过程与癌症发生发展的关系？主要研究内容：（一）上皮组织干细胞的维持、自我更新与分化的机理1. 探索Wnt等信号通路及微环境调控乳腺上皮干细胞维持和自我更新的机理，以及对气管上皮干细胞分化的调节机理；2. 解析Hpo信号下游效应分子对上皮干细胞增殖和维持的调控机制，鉴定Hpo与其它重要信号通路的相互作用蛋白网络；3. 研究细胞极性调节因子对肝上皮组织形成和病变的
3、作用；4. 研究iHep的形成机理并探索高效获得功能性的人类iHep的关键技术。（二）上皮组织细胞极性分裂的调节机理1. 研究极性细胞分裂中纺锤体定向的调节机理及功能；2. 研究不对称分裂过程中肌球蛋白极性分布的分子机制； 3. 探索调节胞质不均等分裂的重要信号分子；4. 探讨细胞分裂的异常与癌症发生的关系。（三）纤毛化上皮细胞的分化机理及功能1. 深入研究影响纤毛化上皮细胞分化的新基因的功能和信号通路的作用机理； 2. 鉴定鞭毛组装、解聚以及长度控制的相关基因，并深入研究其功能和作用机理；3. 探索Shh信号通路组分在纤毛中运输的机制及其与功能的关系； 4. 探讨纤毛分化和功能异常与癌症和其
4、它疾病的的关系。（四）上皮组织细胞EMT与迁移的调节机理1. 探索极性蛋白质在EMT、上皮细胞迁移和癌变等过程中的功能及作用机理；2. 研究NudC/LIS1/Dynein通路在上皮细胞迁移中的功能、作用机理及其与癌症发生发展的关系；3. 解析上皮组织损伤修复的机理及其与癌症等疾病的关系。二、预期目标（一）总体目标整合国内在该研究领域已做出优秀成绩的研究单位和科学家，综合利用多种模式生物和研究系统，从分子、细胞、组织和个体等层面聚焦上皮组织的形成、更新及调节机理这一生命科学领域的重要问题，通过深入系统地研究，做出一序列重要的科学新发现，以阐明上皮组织干细胞维持、自我更新和分化的调节机理，阐明极
5、性分裂的调节机理和功能，揭示干细胞向纤毛细胞定向分化的机理和相关生理功能，明确上皮组织细胞EMT与迁移的调节机理及功能。深入认识促进癌症发生发展的新机制以及纤毛相关疾病的新的致病机理，为这些疾病的防、诊、治提供理论依据和分子靶标。而且，发展乳腺干细胞体外培养方法、人类成纤维细胞转分化获取自体肝细胞的方法，以及多种类型的纤毛细胞的诱导分化方法，为我国的再生医学研究提供重要的拥有自主知识产权的技术和手段。同时，打造一支具有国际先进水平的上皮组织生物学研究队伍，培养一批优秀的青年研究骨干。（二）预期目标1. 揭示Wnt信号通路、Hippo信号通路、极性维持信号通路对乳腺等来源的上皮干细胞维持、自我更
6、新和分化的调控新机理；2. 阐明有丝分裂激酶及其底物、细胞骨架相关蛋白等调节包括干细胞在内的上皮组织细胞分裂中有丝分裂纺锤体定向的分子机理，认识这些过程的异常与癌症发生发展的关系；3. 揭示调节上皮干细胞向纤毛细胞定向分化的重要蛋白质和信号通路的功能、作用机理及与疾病的关系；深入认识纤毛依赖性的信号转导通路的调节机理与功能； 4. 揭示极性蛋白质复合物、NudC/Lis1/dynein通路和TLR通路等在上皮组织EMT、细胞迁移和损伤修复中的调控新机理，展示这些过程间的内在联系，以及与癌症发生发展的关系，为临床诊断和治疗提供标记物、潜在的药物靶点和基础理论支持；5. 建立完善的乳腺干细胞体外培
7、养技术，发展高效产生人类iHep细胞和多种纤毛细胞的关键技术和方法，为再生医学研究提供新的自体种子细胞来源；6. 研究成果主要以研究论文和独立开发的技术成果（专利）形式公布，五年内争取发表SCI论文50-60篇，其中在影响因子大于5的杂志上发表论文30-50篇，在影响因子大于10的杂志上发表5-15篇论文，申报专利5-10项；7. 培养一批在上皮组织和细胞生物学领域具有国际竞争力的优秀中青年科学家和后备人才，造就一支结构合理、具备攻坚能力的国际先进水平的研究队伍。五年内预期培养博士和硕士研究生40-60人，青年骨干8-10名，国家杰出青年科学基金获得者等高级人才2-5名。三、研究方案（一）、学
8、术思路上皮组织的形成与更新涉及上皮干细胞的维持、增殖及定向分化、上皮细胞的极性形成、胞间连接的建立、EMT和细胞迁移等环节，任何环节的错误都可能导致上皮组织形态、结构和功能异常，进而导致多种疾病的发生。结合国际前沿的研究进展和国内的优势，我们选择了其中意义重大而且可能取得重要突破的四个方面的问题作为本项目的主要研究内容（见示意图）。其中，干细胞的维持和自我更新是上皮组织形成和更新的基础，其机理研究主要从微环境和信号转导的角度进行。细胞极性分裂是上皮组织细胞分裂的特色，关乎干细胞自我更新和分化命运的调节，而且也为组织形成和更新所必须，与第一部分关系紧密，但需要从纺锤体定向和细胞分裂的调节机理等方
9、面入手。第三部分利用纤毛上皮细胞高度特化、功能多样、分布广泛，而且与疾病关系密切的特点，将其作为代表性的细胞类型，深入研究上皮干细胞定向分化的机理，以认识上皮组织形成和更新过程中调节细胞类型多样性的机制。第四部分则探讨EMT这一上皮组织细胞特有的变化以及细胞迁移的调节机理，这些细胞活动在干细胞分化、组织形成和损伤修复中有重要功能，而且与癌症转移关系密切。事实上，上皮组织细胞只有在细胞核迁移（也称转位）到顶端(apical side)后才能进入分裂期；至少神经上皮中神经干细胞分化时需要经历EMT，而分化的神经细胞则必须要迁移出神经上皮。因此，这四部分之间联系紧密、相辅相成，缺一不可（见示意图）。
10、又如，项目组成员曾艺研究员证明，单个的乳腺上皮干细胞在小鼠脂肪垫中可以再生出完整的乳腺。在此过程中，干细胞需要通过极性分裂自我更新并维持一定的数目，并分化成各种乳腺上皮细胞，形成管腔结构，还需要不断迁移、延伸、分叉，最终形成网状的乳腺。因此我们拟通过这些方面的研究，深入认识上皮组织形成、更新的调控机理，及其在生理、病理情况下的变化。考虑到上皮组织的多样性和复杂性，我们将以乳腺、肝脏、气管等的上皮组织为主要研究对象，结合体内外的研究系统并充分利用衣藻、果蝇、线虫、斑马鱼、小鼠等模式生物各自的优势，从分子、细胞、组织和个体等多个层次开展研究。希望一方面产出重要的研究新发现，推动人类的知识进步和该领
11、域的发展；另一方面，在上皮干细胞维持与更新、特定上皮细胞的定向分化和转分化等方面的技术和知识可望促进我国组织工程和再生医学的研究与应用，而包括癌症在内的上皮组织相关疾病方面的研究成果则有助于疾病的诊断和治疗，为提高国民的健康和生活质量做出贡献。学术思路示意图上皮组织干细胞的维持与自我更新的机理纤毛上皮细胞的分化机理及功能上皮组织细胞分裂的调节机理上皮组织的形成、更新及其调节机理上皮组织细胞EMT和迁移的机理（二）、技术途径本项目拟在分子、细胞、组织和个体水平等多个空间尺度上研究上皮组织的形成、更新及调节机理。在分子水平利用免疫共沉淀、免疫印迹等手段研究信号信号转导和细胞活动中的蛋白质-蛋白质相
12、互作用和上下游关系；在细胞水平利用激光共聚焦(laser confocal)、激光转盘(laser spinning-disc)共聚焦、荧光缩时(fluorescence time-lapse)等显微镜技术研究细胞分裂、分化、迁移和EMT等活动；在组织水平利用单光子或多光子活体显微示踪和各种组织学技术关注细胞-细胞相互作用、组织结构特征、组织形成与更新等；在个体水平，则利用敲低(knock-down)、基因敲除(knockout)和转基因等手段在小鼠、斑马鱼、线虫、果蝇、衣藻等模式生物中进行在体的机理和疾病模型研究。这几个层次也是互为依托的。总体技术途径如下图：干细胞纤毛细胞分化极性分裂分子水
13、平个体水平上皮组织的形成、更新及其调节机理癌症和纤毛疾病细胞水平总体技术途径示意图乳腺、肝脏、气管等上皮组织组织水平EMT和细胞迁移（三）、创新点与特色1. 上皮组织在多细胞生物体内发挥重要的功能，其形成、更新及调控机制是当前生命科学领域的国际前沿和热点问题，因此，本项目从选题上保证了创新性。而且，研究内容充分兼顾了重要科学问题与前期工作基础，以实现高起点和高目标的完美结合；2. 通过体内和体外，分子、细胞和个体水平的紧密结合，综合利用多种模式生物，从多个层次和多个角度进行上皮组织形成、更新及调节机制及与疾病关系的研究，是本项目在技术路线方面的特色；3. 多学科联合攻关和多研究手段综合运用也是
14、本项目的一大特色。本项目重点针对上皮组织形成和更新中的关键科学问题，组建了包括发育生物学、细胞生物学、遗传学、基础医学等多学科结合和交叉的优秀研究队伍，所设置的课题相互渗透、紧密联系，可相互借鉴与互补，并有利于综合运用多种最新的技术和研究手段；4. 从国家需求来看，上皮组织的异常会导致癌症等严重危害人类健康的重大疾病。所以，本项目的研究可望促进新的疾病诊断方法的建立和药物靶标的发现，而在上皮干细胞维持、特定上皮细胞的定向分化和转分化等方面的技术和知识可望促进我国组织工程和再生医学的研究与应用，为提高国民的健康和生活质量做出重要贡献。（四）可行性分析1. 本项目的总体研究方案切实可行从学术思路上
15、看，本项目紧扣上皮干细胞的维持、自我更新及定向分化、上皮细胞的极性分裂与细胞命运决定、细胞粘附与迁移等上皮组织的形成与更新所涉及的关键环节，以及癌症等上皮组织特异性的疾病，集中了国内的优势研究力量，以乳腺、肝脏、气管的上皮组织为主要研究对象，结合体内外的研究系统并充分利用衣藻、果蝇、线虫、斑马鱼、小鼠等模式生物各自的优势。这一设计和安排符合重大专项指南的要求，并有利于国内优势研究方向的发展和重要研究突破的取得。从技术途径上看，本项目所涉及的基本技术，包括各种细胞成像技术、模式生物基因操作技术、细胞移植技术、免疫共沉淀技术、串联亲和层析/定量质谱分析等都是成熟的技术。四个具体研究课题的技术途径和路线清晰、明确。当然，生命的复杂性也决定了任何的研究方案都不可能尽善尽美，也难以完全按部就班地进行。因此，能否取得重要研究发现甚至突破的关键还是在于研究团队的水平和在探索未知的过程中不断发现、分析、解决问题能力。2. 本项目凝聚了优秀的研究团队科学发现与研究队伍的素质密切相关。本项目凝聚的优秀研究团队，确保了研究的顺利实施。研究队伍中有国家基金委创新团队负责人1名、“国家杰出青年基金”获得者3名、中科院“百人计划”入选者7名、教育部“”1名、3位教育部“新世纪优秀人才支持计划”获得者。项目组成员已经承担或完成多项相关的研究课题，其中包括国家“十五”科技攻关计划课题、科技部
