H4K20特异性的组蛋白去甲基化酶ROSBIN在基因调控中的功能及作用机制

H4K20 methylation is one of the most abundant chromatin modifications in eukaryotes and has been implicated in myriad of nuclear functions. However, the mechanisms that regulate different H4K20me states (H4K20me1/me2/me3) are not well understood. We have recently discovered a novel histone demethylase family, KDM9, that specifically converts H4K20me2 to H4K20me1. KDM9 demethylases include C. elegans protein DPY-21 and the ROSBIN proteins that are conserved from flies to mammals. Selective inactivation of DPY-21 in C. elegans eliminates H4K20me1 enrichment on X chromosomes，elevates X-linked gene expression and disrupts Mbp-scale higher-order chromosome structure. Our preliminary results have demonstrated that mouse ROSBIN is expressed in mouse ES cells and a wide range of embryonic tissues. However, the biological functions of ROSBIN in higher eukaryotes are currently unknown. In this project, we will examine the impacts of mouse ROSBIN on H4K20 methylation, gene expression and higher-order chromosome structure by employing a combination of biochemistry, cell biology and genomics approaches. Moreover, we will investigate the functional interplay between higher-order chromosome structure and H4K20 methylation during gene regulation. The proposed studies will provide key insights in understanding the cellular and physiological functions of ROSBIN and promote the understanding of epigenetic regulation during development in higher eukaryotes.

组蛋白H4上K20位点的甲基化是最普遍的表观遗传修饰之一。然而，H4K20甲基化的调控机制尚不完全明确。申请人此前发现了一类新的组蛋白H4K20去甲基化酶KDM9。KDM9家族成员包括线虫中的DPY-21及从果蝇到哺乳动物中保守的ROSBIN。在线虫中，DPY-21的失活导致X染色体上H4K20单甲基化的上调与基因表达的抑制，并引起染色质高级构象的变化。预实验结果表明ROSBIN在小鼠胚胎干细胞与多种胚胎组织中广泛表达。然而，ROSBIN在高等动物中的生物学功能目前尚属未知。申请人拟利用多种技术系统性地阐明小鼠ROSBIN对H4K20甲基化及基因表达的影响，并通过分析基因表达变化与染色质高级构象之间的关联，深入理解ROSBIN在基因调控中的功能和作用机制。本研究将为未来进一步研究ROSBIN的细胞生物学功能提供基础，并将推动对高等生物发育过程中表观遗传调控机制的全面理解。

表观遗传修饰在基因组的时空调控中发挥着关键作用，组蛋白H4K20的甲基化(H4K20me)是真核生物中最为普遍的组蛋白转录后修饰之一, 然而，H4K20me各种调控功能的详细分子机制还有待进一步的研究。我们此前发现了一种在真核生物中广泛保守的，H4K20me2特异性的组蛋白去甲基化酶KDM9。这类去甲基化酶包括线虫中的蛋白DPY-21以及果蝇和哺乳动物中的ROSBIN (Rsbn1)，能特异性地将H4K20me2转化为H4K20me1。在线虫中,KDM9家族成员DPY-21结合在X染色体上，增加H4K20me1水平，进而招募凝缩因子复合物（Condensin）调控染色体结构和基因表达。我们推测KDM9家族的成员Rsbn1也可能通过调节H4K20me2与H4K20me1之间的平衡在哺乳动物中实施重要的调控功能。然而，Rsbn1的功能及作用机制尚未被揭示。基于这些前期工作基础，我们在本课题中利用基因编辑小鼠和胚胎干细胞模型，针对Rsbn1在哺乳动物中的功能展开了深入研究，明确了Rsbn1在小鼠胚胎早期发育阶段表达并具有H4K20去甲基化酶活性，Rsbn1的去甲基化酶活性丧失导致小鼠胚胎死亡，证明了Rsbn1的去甲基化酶活性对胚胎发育不可或缺。我们进一步发现Rsbn1通过调控H4K20me1水平调控数百个基因的转录, 进一步明确了H4K20me1在转录调控中的重要作用。最后，我们发现Rsbn1通过调控H4K20me1水平，促进Condensin II 复合物在有丝分裂间期在染色质上的结合，并调控胚胎干细胞的染色质高级结构。这些发现揭示了ROSBIN是影响哺乳动物发育的重要表观遗传调控因子，为未来我们继续探索ROSBIN的细胞生物学和生理学功能奠定基础。对于ROSBIN这类全新的表观遗传调控因子的研究将进一步促进我们对高等生物发育过程中基因调控机制的理解，有助于促进特定遗传性发育缺陷的致病机制研究，并有望为遗传疾病的精准诊断提供潜在靶点。