端粒异染色质形成的分子基础

The establishment and maintenance of heterochromatin is one of the most conserved epigenetic inheritances in eukaryotes. In the past decades, dozens of genes have been shown to regulate heterochromatin structure in-cis and in-trans. However, duo to the technical difficulties, the molecular mechanism of heterochromatin assembly and maintenance still remains elusive. In this proposal, we will use budding yeast S. cerevisiae telomeres to study the molecular events involved in the process of telomere heterochromatin formation. We have set up a de novo telomere addition system which allows us to manipulate and visualize almost every step of telomere heterochromatin assembly, and to determine the genetic and epigenetic requirements for heterochromatin formation. By exploiting this system in combination with genetic, biochemical and cell biology approaches, we anticipate to dissect the dynamics and molecular mechanism of heterochromatin formation, and to explore the physiological significance of heterochromatin.

异染色质结构的建立和维持是真核生物最典型、最保守的表观遗传现象。过去几十年的研究已经鉴定出大量维持异染色质结构所需的顺式元件和反式因子。但由于技术上的困难，异染色质的建立过程及其分子机理至今没有得到很好的阐释。我们以酿酒酵母端粒异染色质为模型，建立了一个可以模拟DNA复制后异染色质起始性形成的系统。通过精细的遗传改造，该系统能够实现异染色质建立过程中各个环节的可视化和可控化，并能够让我们准确地测定异染色质建立过程中相关顺式元件和反式因子的相互作用及动态变化。我们将利用该系统，结合遗传、生化及细胞学手段来深入地阐述酿酒酵母异染色质形成的动态过程、分子机制和生理意义。

真核细胞染色质携带了遗传和表观遗传信息。线性染色体末端的端粒有简单DNA重复序列和其结合蛋白质组成，代表了典型的异染色质。端粒对维持基因组稳定性和染色体完整性具有重要功能，也是细胞得以持续分裂，避免衰老的必需条件。端粒DNA的复制通常主要是由端粒酶途径负责。在端粒酶活性缺失时，同源重组途径也可以复制端粒DNA。此外，端粒异染色质结构的存在通常是其附近的基因沉默。.该课题以酿酒酵母为模型，主要研究了端粒异染色质的复制、重组及组装的分子机制，以及端粒重组引起基因组不稳定从而导致细胞衰老的机理，取得了如下研究结果。（1）揭示端粒重组偏好在短端粒上发生。（2）筛选和鉴定多个调控端粒重组的因子（包括KEOPS ATP酶激\酶复合物，Rad6-Bre1组蛋白H2BK123泛素化酶复合物等）。（3）发现KEOPS复合物亚基Cgi121失活抑制端粒重组并延长细胞寿命。（4）揭示Rad6–Bre1泛素连接酶泛素化组蛋白H2BK123而调控端粒复制和重组的机制。（5）描绘端粒异染色质从头组装的动态分子过程。（6）发现Est1促进端粒单链DNA形成分子内G4链结构。（7）阐明组成型表达端粒酶促进酵母细胞时序性衰老。（8）阐释了组蛋白甲基转移酶HMT1催化H3R2非对称双甲基化的机制. （9）建立了研究非对称核小体修饰系统，并揭示了姐妹组蛋白H3独立调控基因转录，协作调控端粒的沉默效应。.上述研究工作总结在9篇研究论文中，发表在eLife（1篇），Nucleic Acids Research（1篇），PLOS Genetics （2篇），Aging （1篇），Biochemical Journal（1篇），FEBS Letter （1篇），Journal of Genetics and Geneomics（1篇）和PLOS one（1篇）学术期刊上。.这些研究成果的发表说明我们很好的完成了项目的预定目标，显示我们的研究处于国际先进水平。该课题的顺利实施为今后进一步研究（1）端粒复制和重组的分子机理、（2）端粒重组引起基因组不稳定及细胞衰老机制、（3）核小体组蛋白非对称修饰影响染色质结构和功能等重要问题建立了很好的研究模型，也为进一步研究染色质与细胞衰老奠定了良好的基础。