异染色质高级结构重塑的表观遗传机制与功能研究

The remodeling of higher order chromatin is critical in gene transcription, chromosome segregation, recombination, chromosomal stability, stem cell differentiation/reprogramming, as well as environment-induced diseases, such as cancers. Heterochromatin is a type of highly condensed chromatin conserved from yeast to human. Heterochromatin mainly localizes at the neighboring area of centromeres or subtelomeric region (also known as constitutative heterochromatin). However, the euchromatic arms of chromosomes often contain other type of heterochromatin, known as facultative heterochromatin. The HP1- associated heterochromatin is an ideal system for studying chromatin remodeling, which is not only because the importance of these types of chromatin, but also because it is more “visable” under the microscope. In this study, we aim: 1) to investigate the mechanism of heterochromatin remodeling using transgenic flies or transgenic/RNAi cells lines. 2) to discover the pathways/signals that controls the remodeling of heterochromatin. 3）to understand the function of heterochromatin/euchromatin remodeling in chromosomal stability, transcriptional initiation/elongation, and their impacts in stem cell differentiation and tumor development.

染色质高级结构重塑对基因转录、染色体分裂、重组和染色体的稳定性、干细胞分化与重编程以及环境等因素导致的疾病发生都起着十分重要的作用。异染色质是从酵母到哺乳动物细胞中高度保守的一类典型的高度致密的染色质。异染色质主要分布在染色体的着丝粒和端粒的附近；在染色质的其他基因组区域（如常染色质区）也存在着不同的异染色质或类异染色质高级结构。异染色质蛋白HP1（Heterochroamtin Protein 1）以及PcG蛋白（Polycom Group）介导的异染色质/类异染色质结构是目前研究染色质高级结构重塑的重要体系。本课题拟在我们长期对异染色质结构研究的基础上，利用转基因果蝇和细胞模式系统弄清异染色质高级结构重塑的分子机理；发现调控这类高级染色质结构重塑的上游因子(或信号)，以及这些异染色质结构与组蛋白修饰的重塑对染色体稳定性、基因的转录起始与延伸及对干细胞定向分化和肿瘤发生的影响与作用机制。

异染色质是染色质高级结构的重要组成部分，其功能的维持及动态是表观遗传调控的重要方式及内容。本课题围绕异染色质高级结构在生理和病理条件下的重塑分子机理，利用果蝇和细胞为研究对象，主要研究了异染色质高级结构与组蛋白修饰的改变对基因组稳定性、转录以及肿瘤发生的作用机制。利用果蝇转基因模型，我们发现了CDK12-HP1保守信号通路在调控异染色质结构扩张方面的重要作用，并发现其对控制果蝇的行为学发挥了重要功能，并通过对哺乳动物CDK12同源蛋白进一步研究验证其信号通路的保守机制及功能。利用哺乳动物细胞体系，围绕泛素化对异染色质蛋白HP1的调控机制，我们发现Rad6-HP1信号调控通路参与DNA损伤修复的作用，并揭示了其调控作用紊乱对癌症发生发展的影响。通过组蛋白突变体介入导致异染色质相关组蛋白修饰H3K9me2/3的改变，我们对异染色质高级结构影响基因组稳定性的作用机制进行了探讨，并梳理了随细胞分化进程中异染色质高级结构调控动态的规律。此外，围绕Rad6介导的组蛋白修饰H2B泛素化对DNA甲基化和组蛋白修饰等的影响，我们对异染色质结构功能调控的上游机制以及对蛋白酶体介导的损伤修复功能机制进行了深入研究。通过本课题的研究，我们对异染色质结构形成与维持的机制以及其生理功能有了新的认识，找到了几个异染色质机构功能调控的重要因子，为疾病及肿瘤防治提供了参考信息。