良性畸胎瘤和恶性畸胎瘤属于特异性的生殖细胞瘤。迄今，恶性畸胎瘤的发生机制还不清楚。小鼠胚胎干细胞（ESCs）能在裸鼠中形成畸胎瘤，可成为研究畸胎瘤的模型。 我们的研究发现传代少且核型正常的mESCs常形成良性畸胎瘤，而传代少核型正常的Smad3-/-ESCs形成恶性畸胎瘤。通过基因芯片，我们发现DNA损伤修复因子Rif1在Smad3-/-中高表达。因为Rif1在乳腺癌中高表达，且其表达量与乳腺癌的恶性分级相关，我们推测Rif1的高表达可能是Smad3-/-ESCs形成恶性畸胎瘤的主要原因。因此我们将构建Rif1敲减的Smad3-/-ESCs和Rif1高表达的ESCs,然后分别长畸胎瘤，观察畸胎瘤的恶性变化。同时我们也将采用高通量测序技术找出Rif1的主要下游效应基因，并在ESCs中调节它们的表达以观察它们对形成恶性畸胎瘤的影响。这项研究将有助于探寻恶性畸胎瘤的发生机制和治疗的新策略。

Teratomas and teratocarcinomas are unique types of germ cell tumors (GCTs). Teratomas are benign tumors that comprise the tissues of all three germ layers, whereas teratocarcinomas are malignant teratomas mixed with malignant stem cells and teratoma tissues. Till now, the mechanism of teratocarcinoma formation is poor understood. Mouse Embryonic stem (ES) cells are reported to give rise to teratomas or teratocarcinoma when injected into nude mice in previous studies. The ambiguity on mES cell formed tumors hasn't been clarified yet. To find out what ES cell formed tumor indeed is, based on previous reports, we derive mouse ES cells and karyotype them. We find karyotypically normal mES cells at low passages form mature benign teratomas. Interestingly, we find Smad3-/- ES cells with normal karyotype consistently form teratocarcinoma. Via microarray assay, we find that Rif1, a DNA damage repair factor, is highly upregulated in Smad3-/- ES cells.As upregulation of DNA damage repair factor is often related with the invasive tumor. Rif1 is highly expressed in breast cancer and its expression level is correlated to invasive grade of breast cancer. Therefore, we hypothesize that the upregulation of Rif1 may underlie the molecular mechanism of teratocarcinoma formed by Smad3-/- ES cells. This hypothesis will be tested through following works: (1)Knockdown of Rif1 in Smad3-/- ES cells and examine teratoma formed by these ES cells. (2) Establish Rif1 overexpressing ES cell line with polyoma-based episomal expression system and examine the their teratoma; (3) To compare the genomic DNA change and transcriptome change by DNA-seq and RNA-seq and find out the downstream critical effector gene. (4) To regulate the expression of Rif1 downstream effector genes and examine their effect on teratoma formation. The proposed study will greatly advance our understanding of the molecular mechanism on the teratocarcinoma formation and shed light on developing new approaches on teratocarcinoma research and treatment.

良性畸胎瘤和恶性畸胎瘤属于特异性的生殖细胞瘤。恶性畸胎瘤的发生机制目前还不清楚。小鼠胚胎干细胞（ESCs）能在裸鼠中形成畸胎瘤，可成为研究畸胎瘤的模型。 我们的研究发现传代少且核型正常的mESCs在裸鼠中形成良性畸胎瘤，而传代少核型正常的Smad3-/-ESCs形成恶性畸胎瘤。同时研究显示TGF-/Smad3信号通路在恶性畸胎瘤中表达出现明显受抑制的现象。因此我们决定通过Smad3-/-ESCs模型探索恶性畸胎瘤发生的原因。通过基因芯片实验，我们发现DNA损伤修复因子Rif1在Smad3-/-中高表达。因为Rif1在乳腺癌中高表达，且其表达量与乳腺癌的恶性分级相关，我们推测Rif1的高表达可能是Smad3-/-ESCs形成恶性畸胎瘤的主要原因。在此项目提供的经费支持下，我们开展了系列的探索。我们发现敲降Rif1可以成功扭转Smad3-/-ES细胞增长过快， Smad3-/-ES细胞的分化细胞迁移能力过强等现象。用慢病毒（Lentivirus）构建稳定敲降Rif1的Smad3-/-ES细胞系在免疫缺陷型SCID小鼠中不再形成快速增长的恶性畸胎瘤。而在Rif1敲降的Smad3-/-ES细胞形成的畸胎瘤中，除了Rif1的表达量比对照Smad3-/-ES细胞中的Rif1表达量显著降低，与细胞复制周期的基因和与细胞迁移相关的基因的表达量也明显降低了。我们从而证实Rif1在Smad3-/-ESCs中的高表达是导致Smad3-/-ES细胞加速变异的主要原因。在此基础上，我们进一步发现多能因子Oct4能促进Rif1在ES细胞中表达，而Oct4结合到Rif1的启动子后，又能结合Smad3到Rif1的启动子上。 Smad3通过调集PRC2复合体结合到Rif1启动子区域后，对该区域的组蛋白进行H3K27me3修饰，从而抑制Rif1的表达。 通过这样一个相互协同作用机制，控制Rif1在ES细胞中维持一个精确的表达水平。既防止Rif1因为表达不足而导致ES细胞分化，又防止Rif1过度表达导致ES细胞变异。更有趣的是我们发现Rif1稳定敲降的Smad3-/-ES细胞形成的畸胎瘤甚至比对照的野生型ES细胞所形成的畸胎瘤还小。这个现象表明降低Rif1的表达有助于控制TGF-/Smad3信号通路受抑制的畸胎瘤的生长，这可能对我们在将来研发抑制恶性畸胎瘤的药物有一定的启示。