心脏发育中Smyd1的作用机制研究

Smyd1 plays an essential role in heart development. It contains an evolutionary conserved SET domain, which is related to histone methyltransferase activity, and a MYND domain, which may recruit HDACs. The functional mechanism of Smyd1 has not been well elucidated. We specifically ablated the Smyd1 gene product in the primary and secondary heart fields of mice and performed whole-genome gene expression analysis. Loss of Smyd1 down regulates 324 genes and up regulates 499 genes including many key factors which related to cardiac development such as Isl1 and Anf. Consistent with the array results, we found that Smyd1 associates with the promoter region of the Isl1 and Anf gene. It positive regulates Isl1 and negative regulates Anf. Based on the preliminary data, we hypothesize that Smyd1controlls heart development through dual epigenetic functions to activate and repress gene expression. To test this hypothesis, we will use Smyd1Cko model and embryonic stem cells to study the molecular mechanism of Smyd1 in controlling cardiac development. The results will be helpful to explore the theory and practice of heart regeneration.

Smyd1 结构独特，既含有与 HMT 活性相关的SET 结构域，又含有募集 HDAC 的 MYND 结构域。它是心脏发育关键因子，但其作用机制迄今不明确。本研究小组利用 Smyd1 心脏特异性敲除（Smyd1Cko）鼠胚胎进行表达芯片谱分析，发现324 个已知基因表达下调，499个已知基因上调，其中包括许多心脏关键因子，如 Isl1和 Anf。进一步实验证实，Smyd1 选择性的结合到 Isl1及 Anf 的启动子区域，正向调节 Isl1,负向调节 Anf。在此基础上，本课题组提出"Smyd1 通过正负双向表观遗传机制调控心脏发育"的假说。为证实这一假说，本课题设计利用 Smyd1Cko 及胚胎干细胞模型，研究 Smyd1 独特的表观调控机制，阐明其在心脏发育和胚胎干细胞分化中所起的作用，为心血管系统的再生和修复工程提供理论基础和实践的方向。

本研究主要探讨Smyd1调控心脏发育的分子机制。本课题通过分子、细胞及基因敲除小鼠模型等不同层面的研究，证实Smyd1是心脏发育的关键性因子，它在早期心脏发育的心肌细胞特异表达，调控细胞增殖和细胞代谢，影响在第二生心区的形成，Smyd1特异性敲除导致小鼠胚胎在第9.5天死亡。基因芯片检测及生物信息学分析结果显示Smyd1调控多个心脏关键因子及氧化应激因子的表达，如Isl1、Anf、Tribbles3等等。Smyd1-ChIP-QPCR 及荧光素酶实验结果揭示 Smyd1调控Isl1的作用机制一方面是通过与Ash2l 等因子的协同作用，发挥甲基转移酶活性，催化H3K4m3，活化染色质，激活转录复合体对Isl1 的调控；另一方面Smyd1还有类转录因子活性，选择性的结合到Isl1启动子区域。Smyd1对Anf的负向调节机制是选择性的结合到Isl1启动子区域，并通过与HDACs 的协同作用，抑制Anf 等基因表达。我们还构建了Smyd1及Ash2l过表达及沉默的小鼠胚胎干细胞模型，观察了拟胚体形成过程中Isl1、Anf及其他心脏发育关键因子的变化，相比对照，在Ash2l过表达小鼠胚胎干细胞拟胚体形成过程中Isl1和Hand2（dhand）在第四天有显著升高，而Smyd1过表达及沉默的小鼠胚胎干细胞拟胚体形成过程中，未观察到显著性差异，这可能与Smyd1过表达及沉默的剂量有关。总之，本研究现有数据较充分的证明了"Smyd1 正负双向表观遗传机制调控心脏发育，而这一精确调控是通过与Ash2l或HDAC等协同因子共同作用实现的”。