MSL复合体对反式剂量效应的调控机制

The inverse dosage effect is the most prevalent gene regulation mechanism in aneuploidy, which is widely found in unbalanced organisms within the genome. It is caused by any varied chromosomal segments in aneuploidy does not only influence the expression levels of genes on the varied chromosomes, but also the genes elsewhere in the whole genome, which induces genomic instability. It is detrimental to the normal growth and development in different organisms because of the disorder of endogenous gene expressions due to an inbalanced genome. Based on the previous results that MSL complex played an important role to regulate inverse dosage effect in the process of dosage compensation by adjusting the histone acetylation effect, we are going to use GAL4/UAS transgenic techniques to overexpress MSL complex in trisomy Drosophila aneuploidy and compare the transcriptomes between the normal trisomy and overexpressed MSL trisomy to determine the functions of inverse dosage effect，the regulatory relationship between the MSL complex with the inverse dosage effect and the major functions of histone modifications during these processes. Furthermore, we will screen, localize and compare the key candidate genes at the early developmental stages in varied chromosomal samples based on Embryo-FISH technique to illustrate their biological functions. All these results will help us to recognize more details about how aneuploidy is produced and how it is regulated, and provide more related important solid scientific evidences of how the human aneuploidy syndromes are produced and their regulatory systems.

反式剂量效应是非整倍体中最普遍的基因调控机制，广泛存在于基因组内部不平衡的生物体中。它不仅影响剂量发生变化的染色体片段上的基因，同时也作用于未发生剂量变化的染色体上的基因，并导致基因组不稳定性。染色体剂量变化产生的基因组表达水平紊乱是对非整倍生物体产生巨大毒害作用的根本原因。本研究利用果蝇非整倍体的遗传优势，基于雄性MSL复合体，在剂量补偿过程中通过调节组蛋白乙酰化效应，参与调控反式剂量效应的理论基础，运用GAL4/UAS技术，在非整倍体样品中组装MSL复合体，对各转录组进行差异表达分析，尤其是比对研究雌雄个体对反式剂量效应的差异应答反应，分析出MSL复合体与反式剂量效应的相互作用机制，及组蛋白修饰在其中的关键作用。另外，利用胚胎原位杂交技术，在早期胚胎发育过程中对关键基因RNA进行细胞内定位，阐述其生物学功能。该项研究将为进一步认识生物非整倍体重大遗传疾病的分子调控机制提供重要科学依据。

本项目以遗传学模式生物果蝇作为实验材料，构建了常染色体和性染色体非整倍体果蝇体系，针对MSL复合体与非整倍体反式剂量效应的关系展开研究。分析了MSL复合体与基因组不平衡的相互作用、反式剂量效应的性别二态性、组蛋白修饰和反式剂量因子在基因组不平衡中发挥的作用，还基于高分辨率TSA-FISH技术在果蝇胚胎发育早期对候选基因进行了检测。.研究发现，在非整倍体雌性中过表达MSL2虽然造成X染色体上的组蛋白乙酰化水平增加，但是并没有引起基因表达的上调。相反，X染色体和常染色体上的基因表达均呈现下调趋势。表明MSL复合体与反式剂量效应之间可能存在协同关系。在非整倍体中过表达MSL2所造成的影响具有性别二态性，性别偏向基因和非性别偏向基因的反应也存在显著差异。通过对非整倍体果蝇测序数据的综合分析，发现不同非整倍体的调控不是随机发生的，而是具有基因特异性的。根据异常表达的基因的特征，我们发现基因组不平衡影响了细胞的生理代谢、增殖分化、蛋白质稳定性、Notch信号通路等，并最终影响了生物体的生长发育和生存。.对表观遗传修饰相关基因进行富集分析，发现在MSL复合体异位组装时，甲基化、乙酰化等组蛋白修饰和多种染色体调节在非整倍体中存在不同的反应，染色质重塑因子Iswi也参与了基因调控。我们还筛选了一些可能的反式剂量效应调控基因，并通过公共数据库验证了ac和BEAF-32的基因组功能。另外，反式剂量因子pcf11的拷贝数增加在全转录组范围产生了类似于2L三体的反式剂量效应。将非整倍体效应基因与MSL2影响的非整倍体基因取交集并进行蛋白互作分析，筛选了12个MSL复合体与非整倍体相互作用可能的效应分子，并利用TSA-FISH检测了候选基因在胚胎发育中的表达和分布。其中Hsc70-4和ERp60 的定位受到非整倍体和MSL复合体的显著影响，因此可能是MSL复合体发挥作用的重要媒介。.本项目的研究结果为揭示非整体基因组不平衡的分子调控机制提供了新的科学依据，对今后进一步探究基因组不平衡状态下的基因调控机理奠定了一定的实验基础，并为更好地理解与治疗人类非整倍体相关疾病提供了坚实的理论依据。