DNA甲基化信息形成与维持的调控研究

Epigenetic information, including DNA methylation and histone post-translational modifications, performs a crucial function in regulating the structure and function of chromatin. Cell type specific epigenetic modification landscape is established and maintained by different sets of epigenetic modification enzymes and their regulators. A growing number of epigenetic modification enzymes have been identified during the past two decades, and the biochemical charcteristics of many chromatin modifying enzymes have been determined. Extensive studies uncover the essential role of epigenetic modifying enzymes in physiological and pathological processes, promoting the development of potential drugs targeting these enzymes. Therefore, the pattern and underlying mechanisms related to establishment and maintenance of epigenetic information are important directions for future investigation. .In this grant, we propose to study the regulation of DNA methylation establishment and maintenance, and the biological significance of epigenetic modifications in controlling the activities of enhancers in differentiating ES cells. The studies include the functional participation of UHRF1 in regulating the de novo DNA methylation activity of DNMT3A/DNMT3B, the regulation of DNA methylation maintenance activity by the cooperation of multi-domain containing protein UHRF1 and DNMT1, the mechanism of DNMT3L mediating de novo methylation activity to compensate the loss of UHRF1. We also propose to study the precise pattern and kinetics of DNA methylation maintenance during mitotic divisions at the genome-wide level using single-base resolution technologies. Finally, DNA methylation, H3K27me3 and H3K36me3 are three closely related epigenetic modifications, which have antagonized genomic distribution pattern or work in a synergistic way in other regions. We propose to study their functional consequence in regulating the formation and acitivity of new enhancers during ES cell differentiation.

表观遗传信息的形成和维持是通过表观遗传修饰酶和相关调控因子实现的。大量的研究揭示了表观遗传修饰酶在生理进程和疾病发生过程中的重要意义，它们因此成为药物研发的热点。近年来，国内外同行在表观修饰酶的染色质定位和催化活性调节机制方面取得了重要进展，因而使得表观遗传信息的形成、维持和功能研究成为基因表达调控领域的重要方向。. 本研究拟对DNA甲基化形成和维持的调节机制、DNA甲基化等表观修饰在分化过程中对增强子的调控作用展开研究。研究的主要内容包括UHRF1对从头建立及维持DNA甲基化过程的调节机制，DNMT3L介导的从头甲基化过程对UHRF1功能异常的补偿机制，DNA复制偶联的DNA甲基化维持过程的动态模式及其调控因素，以及DNA甲基化、组蛋白H3K27和H3K36甲基化对增强子活性的调节和在胚胎干细胞分化过程中的作用。

DNA甲基化在转录沉默和发育调控等过程中具有重要作用。DNA甲基化在有丝分裂中的维持和继承至关重要，而甲基化维持的动态调控过程和分子机制的相关研究还不够充分。通过建立Hammer-seq定量分析技术，我们可以在单分子水平同时测定DNA复制过程中母链和子链的甲基化信息，因而得以精确和系统的揭示DNA甲基化维持的动态过程。我们发现多数DNA甲基化位点可以在DNA复制偶联阶段被快速重建，而其它区域的DNA甲基化可以在复制非偶联阶段被缓慢的建立。我们系统的揭示了染色质因素对DNA甲基化维持调控的详细机制。我们证明DNMT1-PCNA和UHRF1-LIG1的相互作用可以促进复制偶联阶段DNA甲基化的快速维持，而UHRF1-H3K9me2/3之间的相互作用则促进复制非偶联阶段甲基化的维持。我们发现高mCpG密度对于甲基化维持速率和从头建立甲基化的活性具有显著的促进作用，而LSH可以相对特异地促进复制晚期区域的非偶联阶段的甲基化维持。我们发现特定CpG位点的甲基化维持速率和从头甲基化的活性均较低，而这种不完美的甲基化维持系统可能是衰老和肿瘤中甲基化丢失的重要机制。.我们证明UHRF1对DNMT3A/3B在ERVK区域从头建立DNA甲基化具有调控作用，并且DNMT3B的N端对于X染色体失活过程中CpG岛DNA甲基化的建立具有重要作用。此外，我们通过筛选鉴定到CSE1L敲低可以激活DNA甲基化沉默的基因，并且是通过HDAC实现转录激活，而非通过诱导DNA去甲基化。进一步分析发现CSE1L敲低可通过核转运通路抑制染色质沉默因子入核，如NOVA1、HDAC1、HDAC2和HDAC8，从而介导基因表达调控。.本项目的研究系统的解析了DNA甲基化维持的动态调控过程以及染色质因素对甲基化维持调控的分子机理。本项目促进了我们对衰老和癌症发生机制的理解，并且对于后续衰老和癌症的临床干预具有重要启示。本项目的研究结果丰富了我们对DNA甲基化建立机制及其生物学功能的理解。并且我们证明了核转运通路对转运货物的选择可以影响基因表达沉默的特异性。