酿酒酵母组蛋白修饰的因果组合关系分析

Nucleosomes are the fundamental repeating units of eukaryotic chromatin. Various kinds of histone modifications occur on the N-terminal tails of core histones of nucleosomes. The 'histone code' suggests that multiple histone modifications act in a combinatorial fashion to play biological function. The relevant research results show that there are combinatorial relationships among some histone modifications and the relationships affect gene expression. But the causal relationships among the modifications for which there are combinatorial relationships are not be confirmed yet. The study on the causal relationships among the modifications is of great significance to gain insight into the combinations of histone modifications. In order to study the combinations of histone modifications by analyzing the causal relationships among the modifications, we firstly make up for the shortage of existing histone modification database. The stable Bayesian networks of the modifications will be constructed based on relatively consummate database of histone modifications established in yeast. The network can illustrate the causal relationships among the modifications. Then the combinations of histone modifications will be explored and analyzed on the basis of the causal relationships. Meanwhile, a part of causal combinations of histone modifications will be validated experimentally. It will provide more credible evidence for making clear the modification combinations at the molecular level. Our study intends to reveal the action relationships among relevant histone-modifying enzymes at the molecular level in biology. It is helpful to clarify the production of 'histone code'.

核小体是真核染色质的基本重复单位，核小体核心组蛋白的N末端尾部可以发生多种组蛋白修饰。"组蛋白密码"提出多个修饰组合在一起共同发挥生物学作用，相关的研究结果显示一些组蛋白修饰之间存在组合关系并且影响基因表达。但是，能够形成组合关系的修饰之间的因果关系仍然没有明确，修饰之间因果关联的研究对于理解组蛋白修饰组合意义重大。为了通过分析修饰之间的因果关系研究组蛋白修饰组合，我们首先通过实验弥补现有酵母组蛋白修饰数据库的不足。在建立相对完善的酵母组蛋白修饰数据库的基础上，构建稳定的修饰贝叶斯网络。借助网络明确组蛋白修饰之间的因果关联，进而通过修饰间的因果关联探索和分析组蛋白修饰组合。同时，通过实验验证部分组蛋白修饰因果组合，为在分子水平解释修饰组合提供更加可信的证据。我们的研究拟在分子生物学层次揭示相关组蛋白修饰酶之间的作用关系，有助于阐明组蛋白密码的产生。

组蛋白密码提出多个组蛋白修饰能够形成组合关系并且影响基因表达。而酿酒酵母的一些组蛋白修饰的因果组合关系及其在基因组分布并没有明确。本课题以酿酒酵母BY4741为研究对象，采用理论方法（构建贝叶斯网络）和实验方法（基因敲除、western blot和ChIP-seq）系统研究了组蛋白修饰组合关系。同时研究了人的部分基因区域的组蛋白修饰组合，比较分析了他们的修饰组合差异。研究内容和研究结果如下：1）基于两个包含两种组蛋白修饰酶的启动区修饰贝叶斯网络，我们发现了一些修饰之间以及修饰与修饰酶之间的因果关联关系，从相关修饰酶的角度分析了这些因果关系；2）在构建酵母的H3K9A、H3K14A、H4K5A和H4K12A变体后，比较了野生型菌株和上述四种变体菌株的多个组蛋白修饰western blot结果。发现修饰H3K14Ac和H3K18Ac、H3K14Ac和H3K4me3、H4K12Ac和H3K4me3、H4K12Ac和H3K79me3之间存在因果关系，验证了前期的部分网络预测；3）western blot结果显示，H4K12A变体有弱的H3K79me3信号，可能该变体基因组的部分区域存在H3K79me3修饰。借助ChIP-Seq方法，比较了野生型菌株和H4K12A变体菌株的H3K79me3基因组分布，发现在DNA的一些区域存在差异；4）经过一系列的基因数据的筛选之后，我们研究了人基因编码区修饰关联。发现模式基因共有四种修饰组合模式。将上述四种修饰组合模式与酿酒酵母编码区组合模式比较后，我们发现，同一类修饰（乙酰化与乙酰化；甲基化与甲基化）有形成修饰组合的倾向。此外，我们在构建了人类隔离子组蛋白修饰网络后，发现类似的修饰组合倾向；5）分析了临近模式基因表达相关性与基因编码区之间修饰水平、临近编码区同一修饰的相关性、基因转录方向、基因之间的物理距离和临近基因之间功能相似性之间的关联关系。结果显示，非模式基因的临近基因表达水平的相关性与多种因素相关，除了基因的转录方向。临近的特异性基因或临近的抑制基因的表达水平的相关性很有可能与临近基因之间的功能相似性关联。临近的管家基因表达水平的相关性可能被基因之间的组蛋白修饰水平所影响。本课题的研究可能为人们理解组蛋白修饰组合提供帮助。