Beta-catenin入核及转录激活的表观遗传调控机制

The Wnt signaling pathway plays pivotal roles in a wide range of biological processes, and its abnormal regulation is linked to human diseases, including tumorigenesis. This project focuses on two important questions in the Wnt signaling field that remain poorly understood: 1) the mechanisms for the nuclear translocation of the key Wnt signaling molecule beta-catenin, and 2) the mutual regulation between epigenetic modifications and Wnt signal transduction. We have established a OPERA-based high content assay system to quantitatively analyze the distribution of intracellular beta-catenin between nucleus and cytoplasm at high speed. This assay system, in combination of a novel screening strategy, will be used in a genome-wide siRNA screen to identify candidate genes that regulate beta-catenin translocation. The candidate genes will be validated using an array of gain and loss of function approaches, including the use of model organisms (zebrafish and mouse). In addition, our preliminary data suggest that the base repair enzyme TDG is involved in the transcriptional activation of Wnt/beta-catenin signaling through a mechanism that involves CBP-mediated histone acetylation. In this study, we will continue to characterize the mechanisms by which Wnt regulates histone acetylation and DNA methylation and to investigate the regulation among different epigenetic modifications and their impact on Wnt signaling. Therefore, this work will not only further our understanding of the molecular mechanisms for Wnt signal transduction , but also gain important insights into the regulatory mechanisms between epigenetic modifications and Wnt signaling.

Wnt信号途径调控动物体早期发育中的诸多事件，其异常活化与肿瘤发生密切相关。因此，对Wnt信号转导机制的研究具有重要意义。本项目研究重点是Wnt途径的中枢分子beta-catenin的入核机制和表观遗传修饰与Wnt途径之间的相互调控关系，结合斑马鱼、基因敲除小鼠及临床样本等系统，验证分子机制和阐明其生物学意义。我们已建立直观分析胞内beta-catenin核质比变化的OPERA高内涵分析系统，初步数据提示碱基修复酶TDG参与Wnt信号途径的转录激活，且与调控组蛋白乙酰化有关。本项目拟从规模化siRNA筛选出发，通过验证线索到揭示beta-catenin的入核机制；以TDG为切入点，探索Wnt信号下的特定区域组蛋白乙酰化和甲基化、DNA甲基化变化，及其之间的相互调控关系。此项工作将进一步完善对Wnt信号转导途径机制的认识，同时加深对表观遗传途径与Wnt信号途径之间相互调控的机制和功能的认识。

Wnt信号通路调控动物体早期发育中的诸多事件，其异常活化与肿瘤发生密切相关。在经典Wnt信号通路中，β-catenin是一个关键的信号传递中枢分子，β-catenin入核是Wnt信号通路的核心步骤，因而对其了解是认识这条信号通路所必须的。此外，β-catenin积累及其入核还是Wnt失调导致疾病（如肿瘤发生）的关键，因此研究β-catenin入核的调控机理还有助于发现潜在的相关肿瘤发生防治的靶点。本项目研究的一个重点内容是β-catenin的入核机制。我们建立了基于L细胞在Wnt配体刺激前后β-catenin核质分布定量化的OPERA高内涵高通量筛选系统，对小鼠全基因组单基因siRNA文库和基于功能基因簇组合siRNA文库进行了筛选。同时，我们用CRISPR/Cas9技术敲除Hela细胞中的APC，然后在这个人源的肿瘤细胞系中再次进行了全基因组siRNA文库筛选。我们的这项研究不仅发现了一些可能会调控β-catenin入核的候选因子，还证明了相比于常规的单基因siRNA文库，基于基因家族siRNA组合文库的筛选能克服同一家族基因间的代偿效应所引起的假阴性现象。另一方面，Wnt信号可以诱导表观遗传修饰事件的发生，表观遗传修饰事件也可以影响Wnt信号中的基因表达。本项目研究的另一个重点内容即为表观遗传修饰与Wnt通路之间的相互调控关系。我们的研究发现了一个Wnt信号下游转录因子TCF/LEF1的新相互作用蛋白TDG。在Wnt信号激活后，TDG与已知的β-catenin转录共激活子-乙酰化酶CBP相互依赖介导β-catenin与TCF/LEF1形成多元转录复合物，增强下游Wnt靶基因启动子区H4乙酰化水平，促进基因的转录表达。我们的这项研究不仅发现了TDG的一个新功能，也为靶向Wnt信号通路的疾病治疗提供了一个新的潜在的靶点。除了上述这两个方面，我们在Wnt信号通路关键蛋白质Axin的调控机制中也取得了一些重要进展，促进了本领域对Wnt信号的膜质传递以及Axin功能机制等重要问题的认识。