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组蛋白甲基化与DNA甲基化的相互作用及其表观遗传机制的研究

陈香嵩  
【摘要】:基因组DNA包含了绝大部分的遗传物质,对于真核生物而言,DNA缠绕组蛋白八聚体形成核小体,进而被包装在染色质内。染色质会发生DNA和组蛋白等的共价修饰,从而影响相应区段DNA的转录,某一特定时空条件下的所有染色质修饰的组合称为表观基因组(epigenome)。表观基因组决定了细胞在特定时空条件下的基因表达谱从而决定了细胞类型和对内外环境的响应。相同的基因组可以对应多种不同的表观基因组,并且表观基因组可以通过有丝分裂和减数分裂进行遗传。染色质修饰在调控基因表达过程中的作用、染色质修饰之间的相互关系及表观基因组的重排(reprogram)与遗传(inheritance)已经成为当前研究的前沿和热点。本研究以一个染色质修饰酶(组蛋白去甲基化酶)为对象研究组蛋白甲基化在调控基因表达和植物发育中的作用,同时从一个表观遗传现象入手研究组蛋白甲基化和DNA甲基化之间的相互关系及其遗传机理。 水稻JMJ703蛋白属于Jumonji类组蛋白去甲基化酶,研究发现JMJ703特异的去除与基因表达激活相关的组蛋白H3第四位赖氨酸位点(H3K4)的三种甲基化修饰(H3K4me1/2/3)。通过解析该蛋白的晶体结构,进一步研究了该蛋白的活性特点和底物识别机制。JMJ703的缺失突变引起水稻的植株高度变矮,而组织切片没有发现茎秆的细胞长度的变化,推测jmj703突变体中细胞分裂的速率受到了影响。进一步研究发现,细胞分裂素氧化酶基因(CKX)在突变体的幼嫩组织中有明显上升的表达;染色质免疫沉淀也发现突变体中CKX基因的H3K4me3修饰明显上升,与其基因表达的变化一致;因此在水稻发育过程中,JMJ703可能通过去除细胞分裂素氧化酶基因的H3K4甲基化而抑制其过量表达,从而维持体内激素水平的平衡。为了进一步研究该蛋白在表观调控和遗传中的作用,检测了jmj703突变体中DNA甲基化情况,没有发现重复序列和反转录转座子的DNA甲基化受到影响,而JMJ703超表达后却通过去除基因转录区的H3K4me3修饰而影响DNA甲基化及其遗传。 为了研究表观基因组的重编程和遗传机理,本研究以水稻中的“干细胞”愈伤组织为对象,通过分析公共数据库中愈伤组织特异表达的基因,发现了一个受DNA甲基化抑制的基因CXS (constant exclusion of silence)。该基因经过组织培养后被激活,同时伴随着DNA去甲基化、H3K4me3的上升、H3K27me3的下降和该区域染色质结构的松散,与其他愈伤特异表达的基因不同的是,在愈伤分化形成植株后该基因的表达和染色质修饰状态仍然维持。DNA甲基化抑制剂处理不但可以在野生型植株中激活CXS的表达且能够引起H3K4me3的上升,并且可以遗传到后代。在细胞分化产生的植株及其后代中,由于持续的DNA去甲基化而使CXS的表达得以维持,然而超表达组蛋白H3K4去甲基化酶基因JMJ703的植株中,CXS重新发生DNA甲基化而被抑制并且在后代中持续处于抑制状态,而jmtj703突变体中的苗中CXS的表达则略有上升,说明JMJ703介导的H3K4甲基化变化参与了CXS的表达和DNA甲基化修饰的调控。另一方面,超表达组蛋白H3K27的甲基转移酶基因OsCLF的水稻中也出现了CXS的表达抑制和DNA甲基化的恢复,说明H3K27me3可能首先抑制了CXS的表达,进而通过DNA甲基化的恢复彻底对CXS进行抑制。另外,一个染色质变构因子CHR729的缺失突变也使CXS的表达发生了抑制,说明染色质结构的变动对CXS表达的维持也很重要。然而进一步的研究发现,在OsCLF超表达和chr729突变体的愈伤中CXS的表达虽略有下降但相较于这些材料的苗却是有明显的表达的,并且jmj703突变体愈伤中CXS的表达和野生型的愈伤也没有区别,因此这些蛋白对CXS的调控主要发生在愈伤再次分化成苗的过程中。以上结果说明在愈伤组织中CXS由于染色质整体处于活跃状态而表达,此时JMJ703、CLF和CHR蛋白对CXS的表达不起作用或者效果不明显,而分化过程中CHR729蛋白可能通过维持染色质结构的变动和对JMJ703以及CLF的阻止而维持CXS的表达,当CHR蛋白不存在时JMJ703和CLF蛋白则通过是H3K4me3下降和H3K27me3上升来抑制CXS的表达。而在jmj703与chr729双突变体的愈伤和分化的苗子中均有CXS的表达,说明jmj703突变后即使缺失了CHR729蛋白也不能造成CXS的沉默,这也辅助证明了以上结论。综上所述,在细胞分化过程中,H3K4me3和H3K27me3对基因的表达起着非常重要的作用,并且这一过程会和DNA甲基化以及染色质结构等方面相互作用相互联系。


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