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玉米有丝分裂过程中表观遗传修饰间的相互作用

杨飞  
【摘要】:染色质表观遗传修饰包括组蛋白翻译后修饰和DNA甲基化修饰。核小体核心组蛋白H2A、H2B、H3、H4以及核小体连接组蛋白H1均能发生各种翻译后修饰,如甲基化、乙酰基化、磷酸化、泛素化等。DNA序列本身能在胞嘧啶位点发生甲基化修饰。近些年来,表观遗传修饰的生物学功能受到广泛关注。研究表明,组蛋白翻译后修饰和DNA甲基化通过直接影响或者募集其他蛋白影响核小体稳定性,改变染色质状态,从而在基因转录、DNA复制修复和细胞周期进程中发挥重要的作用。目前,关于玉米有丝分裂中染色质表观遗传修饰间相互作用未见报道。本论文研究了玉米有丝分裂过程中表观遗传修饰的动态变化,通过药物处理,研究表观遗传修饰之间的相互作用,并分析表观遗传修饰变化对玉米有丝分裂的影响。本研究有助于深入理解遗传修饰在细胞分裂和细胞周期中的作用,为进一步阐明高等植物的细胞分裂分化和生长发育奠定基础。具体结果如下: 曲古霉素A(trichostatin A, TSA)是组蛋白脱乙酰基化酶抑制剂,能提高组蛋白乙酰基化水平;5-氮杂胞苷(5-azacytidine,5-AC)是胞嘧啶(cytosine)类似物,但不能被甲基化,能阻止DNA甲基化酶活性,减少基因组甲基化水平。流式细胞术显示,TSA处理后玉米根尖细胞核的G0/G1期和G2/M期的荧光强度值均变大,峰向右移,统计发现,TSA处理引起细胞阻滞在G2期;5-AC处理后G0/G1期和G2/M期的荧光强度值均变小,峰向左移,统计发现,5-AC处理引起细胞阻滞在G1期。微球菌核酸酶敏感性实验显示与对照组相比,TSA和5-AC处理后玉米根尖细胞染色质对微球菌核酸酶敏感性增强,酶切后,更早出现DNA ladder,这说明TSA和5-AC处理引起染色质脱浓缩。 在正常玉米根尖细胞中,免疫荧光染色表明,从有丝分裂前期到中期,随着染色质的凝缩发生了组蛋白H4脱乙酰基化,H3K9二甲基化水平降低和DNA甲基化水平升高,从中期到末期,随着染色质的脱浓缩,组蛋白H4乙酰基化水平重建,H3K9二甲基化水平增高和DNA甲基化水平降低。与正常的有丝分裂过程相比,TSA处理引起玉米根尖细胞有丝分裂过程中各个时期的组蛋白H4高乙酰基化,同时也检测到了组蛋白H3K9二甲基化和DNA甲基化水平的降低,这说明组蛋白H4高乙酰基化,直接或间接导致了H3K9me2的低甲基化和DNA低甲基化。与正常的玉米根尖细胞相比,免疫荧光分析表明5-AC处理引起玉米根尖细胞有丝分裂各个时期的DNA甲基化水平的降低,同时也检测到了组蛋白H3K9二甲基化水平的降低和组蛋白H4高乙酰基化,这说明,DNA低甲基化,导致了组蛋白H4高乙酰基化和H3K9me2的低甲基化。Western-blot和DNA点杂交表明TSA和5-AC处理都引起组蛋白H4总的乙酰基化水平升高,H3K9总的二甲基化和DNA总的甲基化水平降低。统计分析发现,TSA和5-AC处理后,玉米根尖细胞有丝分裂指数降低,进入有丝分裂后期和末期的细胞数量明显减少,TSA和5-AC处理引起细胞阻滞在有丝分裂中期,.这说明组蛋白H4四乙酰基化,组蛋白H3K9二甲基化和DNA甲基化的正常水平含有维持细胞有丝分裂所必须的表观遗传信息。 基于以上结果即TSA和5-AC处理均引起组蛋白H4四乙酰基化水平的升高,组蛋白H3K9二甲基化水平的降低和DNA甲基化水平的降低,全基因组范围内组蛋白H4乙酰基化,组蛋白H3K9二甲基化和DNA甲基化之间相互作用的模型被提出。在这个模型中,H4高乙酰基化,可以调控H3K9me2的低甲基化和DNA低甲基化;而DNA低甲基化,可以调控组蛋白H4高乙酰基化和H3K9me2的低甲基化。


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