究进展

一、建立了人胚胎干细胞和人诱导多能干细胞体外神经定向分化平台

建立了人胚胎干细胞和人诱导多能干细胞通过神经诱导、区域化、神经元生成或胶质细胞生成等阶段体外逐步分化为神经外胚层细胞、部位特异性神经前体细胞、神经元或胶质细胞的定向分化体系。该体系较好的模拟了体内神经发育过程。通过比较单层分化法和悬浮分化法并结合小分子干预，建立了高效的人前脑MGE神经前体细胞和基板前体细胞的体外定向分化技术，进而较好的通过分化获得了中脑多巴胺能神经元和前脑胆碱能神经元与GABA中间神经元，为帕金森氏病、阿尔兹海默症和亨廷顿疾病的细胞替代治疗奠定了基础。

二、结合人胚胎干细胞和人诱导多能干细胞体外神经定向分化，建立了高效的基因编辑技术

为了通过神经定向分化平台研究人神经发育，我们通过TALEN或CRISPR/Cas9技术，在人胚胎干细胞或人诱导多能干细胞中建立了基因敲除、报告基因和谱系示踪的系统。我们通过设计邻近的两个gRNA靶向位点，在基因组上制造两个邻近的双链DNA断裂，这两个断裂可以通过无缝连接进行修复，从而精确的实现高效的编码与非编码基因的切除。我们还通过构建双链DNA断裂，结合供体介导的同源重组，在人胚胎干细胞或人诱导多能干细胞中构建了报告系统和谱系示踪系统。

三、基于体外神经分化和基因编辑工具，系统研究了人神经发育与进化

我们发现人神经发育和小鼠有很大的差别，充分体现了人脑的进化属性，并且和人具有大而复杂的大脑皮层直接相关。我们发现人脑发育的第一步即人神经诱导过程是由转录因子Pax6驱动的，Pax6抑制干性基因，促进神经外胚层基因的表达。相关的结论通过系统比较人早期胚胎和小鼠早期胚胎标本所证实。由于人神经外胚层早期表达Pax6,人前脑的背腹侧化过程遵循去抑制模型，这就保证了神经发育过程中优先产生对我们的社会性更为重要的大脑皮层。

抑制BMP信号和TGFβ信号是神经诱导的关键。传统的理论认为Smad2和Smad3在介导TGFβ信号的过程中起着类似的作用。我们发现，Smad2和Smad3由于结构的差异，具有不同的TGFβ信号传递的敏感性，并且在早期发育中具有拮抗的调节功能。

Smad5是BMP信号通路下游重要的中继分子。我们在日常的实验过程中，偶然发现了Smad5可以作为胞内pH的感受器。环境温度、胞外pH和渗透压的改变，可以导致胞内pH发生变化。胞内pH变化能被这一感受器捕捉到，并能通过其迅速的核浆定位改变做出反应。Smad5可以作为胞内pH的感受器来检测环境的细微变化，进而通过其核浆穿梭来维持细胞内能量的稳态。缺乏这一感受装置的人胚胎干细胞存在神经发育异常。这一原创性的发现揭露了细胞酸碱度的感受原理和细胞代谢调控在神经发育中的关键作用。