心脏发育核心转录因子GATA4的组蛋白修饰调控机制

Epigenetic modifications play an important role in the sequential expression of several cardiac-specific core transcription factors during heart development. Various epigenetic modifications jointly participate in the process of gene expression during heart development and there are precise interactions among these modifications, although the detailed mechanisms underlying these regulations are still not very clear. Based on the literature and the data from our previous studies, we hypothesize in this study that histone modifications, either acetylation or methylation, control the sequential expression of the cardiac-specific core transcription factor, such as GATA4 during heart development. We will test this hypothesis by determining the levels of histone acetylation and histone methylation in embryonic heart at different developmental stages and measuring the expression levels of GATA4 at the same time under these epigenetic modifications. In addition, we will perform cell culture to explore the interactions between histone acetylation and histone methylation in cultured stem cell-derived myocardial cells. The results obtained from the study will increase our understanding of the roles of epigenetic regulation on gene expression during heart development, which is useful for basic research on epigenetic regulation on heart development and for clinical application in the future in the field of pediatric cardiology.

表观遗传学对心脏核心转录因子的时序表达具有重要调控作用。各种不同表观遗传修饰之间存在复杂的相互作用，共同参与心脏的正常发育。然而，到目前为止，这些具体的调控机制尚不十分清楚。根据文献报道以及本课题组前期研究的结果，在本研究中，我们提出科研假设，即组蛋白乙酰化和甲基化的交互修饰调控决定了心脏发育核心转录因子GATA4的时序表达。我们将检测小鼠心脏发育不同阶段中组蛋白乙酰化和甲基化的修饰水平以及GATA4的表达水平来验证我们的假设。同时将进行心肌祖细胞体外培养，来研究组蛋白乙酰化和甲基化之间的交互作用和影响，试图阐明胚胎心脏发育过程中GATA4表达受组蛋白不同修饰网络的调控以及组蛋白不同修饰间的交互作用。本课题得到的科研成果将增加我们对心脏发育过程中表观遗传调控网络的认识，同时，对于将表观遗传修饰对心脏发育的调控和机理应用到临床儿科心脏学具有一定的理论和实际应用意义。

组蛋白乙酰化修饰作为一种重要的表观遗传修饰方式在心脏发育过程中具有重要的调控作用。GATA4是心脏发育过程中的重要转录因子，研究发现GATA4的表达受组蛋白乙酰化修饰调控，但具体调控机制不清。本研究选取胚龄9.5-17.5的胎鼠心脏为研究对象，研究胚胎心脏发育过程中GATA4的时序表达规律及其启动子区组蛋白H3的乙酰化、甲基化修饰规律及其修饰酶亚型，并在细胞水平研究p300对GATA4的调控机制，进一步探讨p300对组蛋白的具体作用位点及其对组蛋白甲基化修饰的影响。具体结果如下：.1）在胚胎心脏发育过程中GATA4的表达水平逐渐升高，E14.5达最高水平，之后呈相对稳定表达；.2）GATA4启动子区H3的总乙酰化、H3K9乙酰化以及H3K9的二甲基化和三甲基化水平变化规律一致，即从E11.5开始逐渐升高，E14.5达最高，E17.5略有下降，而H3K4、H3K27的乙酰化修饰规律与GATA4时序表达规律一致；.3）GATA4启动子区H3结合的p300、CBP水平与GATA4时序表达规律一致，而HDAC5、G9A、LSD1的水平与GATA4时序表达规律相反，PCAF、GCN5、HDAC4、HDAC9、JHDM3A与组蛋白H3的结合与GATA4的时序表达无相关性。.4）利用RNAi特异性沉默p300后，GATA4的表达降低，启动子区H3的总乙酰化及H3K4、H3K9的乙酰化水平降低，H3K9-2me、H3K9-3me水平降低，与GATA4启动子区结合的CBP、PCAF、HDAC4、HDAC9水平增加。.5）p300/CBP特异性Bromo结构域抑制剂CBP30可阻断p300、CBP与GATA4启动子区H3的结合，降低H3K9ac及H3K9-2me、H3K9-3me水平，抑制GATA4表达。.综上所述，本研究结果提示心脏发育过程中，GATA4时序表达的表观调控主要由p300、CBP通过Bromo结构域与组蛋白H3结合并催化H3K4、H3K9、H3K27乙酰化修饰而完成，p300介导的乙酰化修饰与甲基化修饰之间存在代偿、互补的相互作用，本研究成果为进一步阐明心脏发育过程中的表观遗传调控网络奠定了基础，并为研究先天性心脏病的表观遗传学发生机制提供了线索。