MeCP2染色质纤维动态结构及Rett综合症分子机制的探究

MeCP2(Methyl-CpG binding protein2), a chromatin-related protein in neuronal cells, plays an important role in the brain health. About more than 95% Rett syndrome has been identified to be derived from the mutant of MeCP2. The investigation of the interaction between MeCP2 and chromatin is a critical method to reveal the reason of Rett syndrome. To date, main investigations have been focused on the interaction between MeCP2 and DNA. But less work has been carried on the role of MeCP2 on chromatin and we cannot understand the function of MeCP2 on the chromatin level. In this project, we will investigate the folding and unfolding dynamics of MeCP2 chromatin fiber and study the competing process between MeCP2 and linker histone H1 and check the effect of MeCP2 mutant on chromatin fibers. We believe that the investigation will help us reveal the function of MeCP2 in the chromatin fiber organization and understand the reason of Rett syndrome and further help people to discover new drugs to cure Rett syndrome.

MeCP2(Methyl-CpG binding protein2)是脑神经元细胞中重要的染色质结构蛋白，在维持正常脑功能方面发挥关键的作用，已经确认大约95%的神经发育疾病Rett综合症来源于MeCP2突变。在分子水平上研究MeCP2染色质动态结构是揭示MeCP2功能，解释Rett综合症发生机制的可靠途径。目前，大多数工作集中在MeCP2与DNA相互作用，而缺少MeCP2染色质纤维的研究，因而无法揭示MeCP2在染色质组装以及染色质动态调控中发挥的功能。在本项目中，我们计划利用单分子磁镊和单分子荧光技术，并结合电镜,AFM等手段，重点研究MeCP2染色质纤维的动态结构，MeCP2与组蛋白H1的竞争机制，MeCP2突变体对染色质纤维的影响几个关键的科学问题。本项目的开展能够揭示MeCP2在染色质纤维这个高级结构层次上的功能，帮助我们理解Rett综合症产生机制，对相关药物的开发提供指导。

Rett综合征是由MeCP2蛋白突变所引发的神经性疾病，在单分子水平解析MeCP2对染色质结构的调控是确定MeCP2生物学功能、解释Rett综合征发生机制的关键所在。在本项目中，申请人利用单分子磁镊技术，结合冷冻电镜、基因组测序、生化技术等多种实验手段，从静态结构和动力学行为两个方面解释MeCP2的功能，确定MeCP2调控染色质结构的分子机制。首先，我们确定MeCP2结合核小体后，核小体的力学稳定性增强，并且动力学行为相应改变，多数情况下一步展开，不同于常规核小体的动力学行为。其次，我们进一步确定由MeCP2将核小体链组装形成的染色质纤维，具有鲜明的动力学展开特点，MeCP2染色质纤维长度变化呈现出周期性变化的特点，这些独特的行为表明MeCP2染色质纤维是一种全新的组装模式，和常规染色质纤维具有明显的差异。第三，我们经过长期的努力，获得了4埃分辨的MeCP2染色质纤维的冷冻电镜结构，结构显示MeCP2包裹在核小体一侧，通过与DNA、组蛋白H2A、H2B、H3和H4的相互作用，完成对核小体以及高级结构的调控。第四，在前面工作的基础上，我们系统研究了MeCP2多种变体和截短体对核小体以及染色质高级结构的影响，并确定MBD和TRD结构域是MeCP2行使其功能的关键结构域，并且确定多种严重的致病性突变都发生在这两个结构域。第五，为了刻画组蛋白伴侣及组蛋白化学修饰对MeCP2功能的影响，我们分别表征了H2A、H2B泛素化修饰及转录辅助因子FACT对核小体结构的调控，确定了两种调控因子对核小体影响的分子机制，为后面开展对MeCP2功能影响的分子机制研究打下良好基础。我们的工作首次在单分子尺度上，清晰揭示MeCP2组织染色质结构的分子机制，为解决Rett致病机理奠定了关键基础，也为将来开发相关药物铺平了道路。