UHRF家族蛋白调控维持性及起始性DNA甲基化的分子机制及生物学意义研究

DNA methylation is one of the most important epigenetic modifications in mammals. DNA methylation is not only critically important for embryonic developemt and cellular differentiation, but is also crucial for somatic cell reprogramming or generation of induced pluriopotent cells (iPSs). Recent studies from our laborotory and others have demonstrated that UHRF1 plays an essential role in targeting DNMT1 to DNA reliplcation forks for DNA maintenance methylation. In this project, we will investigate 1) the mechanism by which UHRF1 interacts and recruits DNMT1 in S but not other phases of cell cycle; 2) the roles of UHRF family proteins (UHRF1 and its related UHRF2) in iPS and DNA methylation reprogramming; 3) the role of UHRF family proteins in establishment and maintenance of DNA methylation patterns in various imprinting genes; 4) the evolution of UHRF family proteins and its relationship with evolution of DNA methyltransferases. The success of this project will provide new insight into the molecular mechanisms of DNA methylation and shed light on the role of DNA methylation in somatic cell reprogramming.

DNA甲基化修饰是哺乳动物细胞中最为重要的表观遗传修饰之一，在哺乳动物胚胎发育和细胞分化过程中起着重要作用，也在体细胞的重编程过程中起重要作用。最近我们及其它实验室的研究发现UHRF1蛋白在招募DNMT1进行维持性DNA甲基化方面起着不可或缺的作用。在这个项目中，我们将进一步研究UHRF1家族蛋白在调控DNA甲基化中的作用，1)解析UHRF1在DNA复制期特异招募DNMT1的分子机制研究; 2)解析UHRF家族蛋白在体细胞重编程过程中的作用及其与DNA甲基化重编程的关系; 3)解析UHRF家族蛋白(UHRF1和相关的UHRF2）在印迹基因的DNA甲基化谱式的建立与维持中的作用和分子机制; 4)解析UHRF家族蛋白的进化起源及与DNA甲基化酶体系的关系。这些研究工作的顺利实施有望增强对DNA甲基化修饰调控的分子机制的理解及DNA甲基化重编程在体细胞重编程中的作用的理解。

作为哺乳动物细胞中研究最多的表观遗传修饰，DNA甲基化在哺乳动物胚胎发育和细胞分化过程中起着重要作用。本课题在过去的两年里重点研究了UHRF家族蛋白在调控DNA维持性及起始性甲基化中的作用及生物学意义，发现UHRF1可以通过其特异的半甲基化DNA结合能力和H3K9甲基化组蛋白结合能力协同结合并招募DNMT1来实现对DNA甲基化在有丝分裂过程中的精确维持；我们的工作也发现UHRF家族蛋白（UHRF1和UHRF2）能够催化DNMT3A的泛素化修饰并诱导DNMT3A的降解，进而负调控DNMT3A介导的起始性DNA甲基化；我们也利用了Uhrf1敲除小鼠ES细胞研究了印迹基因的DNA甲基化建立与维持的分子机制。此外，我们还研究了调控DNA甲基化动态变化的潜在去甲基化酶TET家族蛋白的翻译后修饰调控及ABH家族双加氧酶蛋白ABH2在调控核仁rDNA基因转录和稳定性中的作用。这些工作揭示了DNA甲基化调控的一些新机制和功能。