脂肪细胞分化的分子调控网络的系统生物学研究

申请人的前期研究工作发现，小鼠3T3－L1前脂肪细胞系的定向分化过程由依赖于细胞周期特定时相（接触抑制期）的"许可阶段"和独立于细胞周期的"执行阶段"所组成。本项目的主要研究内容就是要揭示这两个阶段的分子调控网络及其作用机理。首先，我们将利用系统生物学策略，研究处在接触抑制期的前脂肪细胞中形成的细胞周期调控因子、细胞信号转导通路和代谢方式之间的分子相互作用网络，并研究这种分子相互作用网络是如何影响各种染色质表观遗传修饰因子的活动，从而导致具备脂肪细胞分化潜能的DNA甲基化模式和组蛋白修饰模式等染色质表观遗传修饰模式的形成。然后，我们还将利用系统生物学策略，研究具备分化潜能的前脂肪细胞在随后的执行阶段被激素诱发形成的基因调控网络，研究控制脂肪细胞分化基因表达的各种转录因子在该基因调控网络的动态活动，并揭示脂肪细胞终端分化基因调控网络的拓扑结构和动力学性质。

结题摘要.课题负责人在前期研究工作中发现，小鼠前脂肪细胞系3T3－L1的脂肪细胞定向分化过程由依赖于细胞周期的许可阶段和独立于细胞周期的执行阶段两个部分组成；分化许可阶段是指3T3－L1前脂肪细胞在接触抑制期获得定向分化的潜能，而分化执行阶段是指那些获得分化潜能的前脂肪细胞在激素诱导下进行脂肪细胞定向分化。本课题的主要研究内容就是要揭示这两个阶段的分子调控网络及其作用机理。.本课题取得的主要研究成果包括，获得了3T3－L1前脂肪细胞在分化许可阶段的基因组DNA甲基变化谱，并进一步发现转录因子AP2α在接触抑制期通过调控DNA甲基化酶Dnmt3a影响与分化相关的基因的DNA甲基化变化；从而在整体水平和机制方面系统地揭示了表观遗传调控是分化许可阶段的关键因素。通过定量磷酸化蛋白质组研究，我们揭示了分化许可阶段的转录因子启动子上的DNA甲基化与分化执行阶段这些转录因子在激素刺激下的磷酸化有着相互配合的关系，表明在这两个阶段不同的分子修饰被用来相互协调以实现脂肪细胞定向分化。此外，我们还获得了在分化执行阶段不同时间点的基因表达谱变化数据，并利用我们发展的新型生物信息学分析方法揭示了在激素诱导期进入分化阶段的不同时间段的基因差异表达网络，以及在这个动力学过程中，基因调控网络通过正反馈控制环数量的增加而逐渐收敛，进入到一个动力学稳定态；由此从理论上首次提出：细胞分化是一个正反馈控制环数量逐渐增加而实现定向分化的过程。.在课题执行过程中，我们还开发了多项系统生物学研究新技术，包括开发了一种蛋白质相互作用检测新技术，发展了蛋白质的单氨基酸变异的de nove算法和修饰蛋白质组技术。其中蛋白质二聚化足迹法(Protein-dimerization Footprinting，简称PdF)不同于目前常用的研究蛋白质之间直接相互作用的酵母双杂交技术和FRET技术，不仅能够定量地、动态地、很方便地测定蛋白质之间是否存在结合以及结合的强度，而且有可能发展成为可以在一个体系（细胞）内同时进行多个蛋白质之间直接相互作用研究的高通量分析技术。.在课题执行过程中，课题负责人以通讯作者或共同通讯作者的身份发表了12篇署了项目资助号的的研究论文。并为PdF技术申请了一项国家发明专利。