科學研究：

研究方向：

1.感覺神經器官的發育 (Sensory Organ Development)

脊椎動物不同于其它動物的一個重要特征是它們身體前半部有大量豐富的旁側感覺神經及其依附的感覺器官。這些器官包括嗅上皮，瞳仁，垂體，三叉神經器官，內耳，鰓弓神經器官，和側線（魚及兩棲類特有）， 被譽為脊椎動物獨有的進化標志。有趣的是，所有感覺器官的形態前體十分相似：它們都在外胚層特定的位置加厚形成基板。 經典胚胎學和近代發育生物學研究在過去的一百年間不斷地爭論這些感覺器官是否具有發育同源性。至本世紀，爭論的焦點為：在脊椎動物發育的原腸胚期是否存在一個特定的前基板區，并由此分化出頭部周圍感覺神經系統。我們過去專注于內耳的發生研究，并于近兩年初步揭開從前基板區到內耳命運決定的發育路 徑。 我們將深入探討前基板區是如何形成和分化的，并比較各種感覺器官形成機制的異同。

During the gastrulation, a distinct ectoderm region, the pre-placodal ectoderm (PPE), lies at rostral border of the neural ectoderm and gives rise to all ectodermal placodes, including the olfactory (of), lens (le), pituitary (pt), trigerminal (tg), epibranchial (eb), otic (op) and lateral line (ll) placodes. These placodes, the ectodermal thickenings by morphology, will develop into sensory organs unique to vertebrate. Although sensory placodes and the PPE were first described a long time ago (von Kupffer, 1891; Jacobson, 1963), it is still unclear how an embryo develops the PPE, how the PPE differentiates, and how a particular sensory organ obtains its identity. In search of answers to these questions, we will take advantage of an ectopic testing system that we have developed in zebrafish, to study how Bmp, Fgf and Wnt signaling pathways shape the PPE. We will test a hypothesis that PPE differentiation initiates at the rostra-caudal division of of/pt/le and ep/op/ll fields within the PPE, and plan to identify molecular basis of the process. Furthermore, we will study how differentiated PPE regions obtain unique sensory fates, ultimately providing foundation to regeneration of most sensory organs.

2. 聽覺形成與再生（Hearing Development and Regeneration）

據統計，全球逾一億人口患有各種各樣聽力喪失的疾病，其中大部分的聽力損傷緣于內耳中聽力功能細胞—毛細胞的損傷和無法再生或聽覺神經萎縮，死亡。例如，老年性的聽力衰退主因為內耳中毛細胞數量的明顯減少：人類初生時每個內耳中具有1.6萬-3萬個毛細胞，但一經成熟，這些毛細胞在個體生長發育過程中不再增殖和再生，并因內在病變（遺傳及后天獲得的疾病，藥物中毒等）和/或環境因素（污染，噪聲，隨聲聽等）而不斷減少。由于與內耳相連的聽覺神經分布和與毛細胞的配置十分精巧和復雜，所以耳蝸和干細胞移植均產生無法預期的并發癥。因此目前治療聽力損傷最好的方法是希望在病人內耳的正確位置誘導毛細胞的適量再生，及與聽覺神經建立準確的聯系。研究毛細胞的發育機制，以及研究毛細胞損傷后再生障礙的機制，對于聽覺及其康復的研究至關重要。我們實驗室將毛細胞的發育和再生機理作為研究的長期目標，計劃以斑馬魚為主要模式動物，用遺傳，發育及經典胚胎生物學的方法開展研究工作。我們同時還將研究聽覺神經的遺傳發育，以探討其再生可行性和如何與成熟毛細胞建立精準的聯接。

It’s estimated that over 100 million of our population are suffering various types of hearing loss. Most hearing impairments in humans are due to damages of otic hair cells and/or their innervations, and our inability to regenerate these cells. For instance, age-related hearing loss is primarily due to a significant loss of hair cells because we are born with 16,000-30,000 hair cells in each ear but fail to regenerate any of them. Because of delicate innervations and wiring of otic nerves and hair cells, cochlear and stem cell implants lead to unexpected complications, the best cure of hearing impairments relies on hair cell regeneration in patients. Therefore, understanding the mechanism of hair cell development and unleashing inhibitory force of regeneration are center to hearing science. We will use two complementary approaches, i.e., using a mutant that never grows any otic hair cell and manipulating ectopically induced ears, to understand how the inner ear adopts hair cell fate. In addition, we will learn how the connection between hair cells and otic neurons is established.

科研成果：

劉東課題組應用CRISPR-Cas9基因組編輯（genome editing）技術，在模式生物線蟲中成功實現了不同類型的基因打靶：1)在性腺特異表達Cas9的轉基因線蟲中，通過飼喂基因靶點特異的gRNA或直接向線蟲性腺注射Cas9和gRNA（DNA或RNA），均獲得了可遺傳的突變體；2)在非性腺表達Cas9的轉基因線蟲中，通過飼喂基因特異的gRNA獲得了體細胞突變體；3)利用熱激蛋白基因啟動子驅動的轉Cas9基因線蟲，該飼喂CRISPR-Cas9系統實現了不同發育時期的體細胞基因突變。飼喂CRISPR-Cas9系統可省時、高效地實現大規模特定基因定向敲除和突變體篩選，有潛力成為線蟲反向遺傳學研究的新型工具。本研究相關論文“Heritable/Conditional Genome Editing in C. elegans Using a CRISPR-Cas9 Feeding System”近日已在線發表在《細胞研究》雜志上。

該研究成果有力推動了劉東實驗室‘基因間區長非編碼RNA的篩選和功能分析’課題的進展，部分延續了前期非編碼RNA的工作（Liu et al., 2011. Cell Res. 21:1605-1618，劉東與樊啟昶老師共同指導完成）。博士研究生劉朋朋、隆例江和熊鍇為該研究論文的共同第一作者，劉東為通訊作者。本研究得到生物膜和膜生物工程國家重點實驗室、國家自然科學基金委、科技部和北京大學-清華大學生命聯合中心的資助。

榮譽獎勵：

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