硒蛋白基因转录表观遗传调控在大骨节病中的作用及其机制研究

Environmental and genetic interaction is the current hot topics in the study of Kashin-Beck disease (KBD), but its etiopathogenesis is still obscure. Low selenium is one of the important environmental factors, which may play a vital role in the development of KBD by inducing the epigenetic changes of selenium protein. The present study focuses on the selenoprotein gene methylation and histone modification from different levels which include the population, cells, protein and gene, combining field work and laboratory work, conventional methods and high-throughput techniques: On the basis of a systematic analysis on DNA methylation in KBD , to screen sites of differential DNA methylation of selenium protein and analyze the histone modification characteristics of their promoter region; gene-protein interactions technology is applied to confirm regulatory proteins combined with specific genomic regions and clarify the regulation mechanism of DNA methylation and histone modification on gene transcription; the functional experiments are carried out to explore the relationship between epigenetic patterns and KBD cartilage phenotype, and verify the gene methylation markers related to KBD in the validation population; Furthermore, the effect of environmental factors on the KBD epigenetics will be conducted. The study aims to illuminate the molecular mechanism of selenoprotein gene DNA methylation and determine epigenetic markers and their regulatory networks of KBD, by which uncover the effects and mechanism of selenoprotein epigenetic modifications in KBD, providing new concept and targets for the warning, diagnosis and treatment of KBD.

环境与基因相互作用是当前大骨节病的研究热点，但机制不明。低硒是其重要的环境因素之一，可能通过诱发硒蛋白表观遗传改变从而在大骨节病中发挥重要作用。本研究拟以现场与实验室相结合，高通量技术与常规方法相结合，从群体、个体、细胞及分子水平上，围绕硒蛋白基因甲基化及组蛋白修饰展开研究：在大骨节病DNA甲基化组学基础上，筛选硒蛋白DNA甲基化阳性位点，分析其启动子区域组蛋白修饰特点；应用蛋白质间相互作用技术，确定与特定基因组区域结合的调控蛋白，阐明DNA 甲基化、组蛋白修饰对基因转录的调控机制；在人群中验证大骨节病甲基化标志物，通过功能实验探索表观遗传模式与大骨节病软骨表型的关系；研究环境因素对大骨节病表观遗传的影响，明确硒蛋白基因发生DNA甲基化的分子机制。该研究旨在确定大骨节病表观遗传标志物及其调控网络，揭示硒蛋白表观遗传修饰在大骨节病中作用及其机制，为大骨节病预警、诊断及治疗提供新思路和新靶标。

背景.环境因素导致大骨节病靶器官软骨组织损害机制不清，是大骨节病病因及发病机制研究亟待解决的问题。低硒是大骨节病重要环境危险因素，可能通过诱发硒蛋白表观遗传改变从而在大骨节病中发挥重要作用。.方向.硒蛋白在大骨节病病因及发病机制的作用研究.主要内容.在大骨节病全基因组DNA甲基化基础上，筛选大骨节病硒蛋白DNA甲基化阳性位点；阐明硒蛋白表观遗传修饰对基因转录调控机制；探索硒蛋白表观遗传模式与大骨节病表型关系，并在大样本大骨节病人群中验证；研究环境因素对大骨节病表观遗传影响，确定大骨节病表观遗传标志物及其调控网络。.重要结果.1.应用生物信息学技术对25种硒蛋白进行分析，并在大骨节病患者血液和软骨中进行验证，证实GPX1、GPX3、DIO2、DIO3、TXNRD1、TXNRD2、TXNRD3及SELENOS等硒蛋白基因是大骨节病关键环境反应基因；.2.获得大骨节病硒蛋白基因表达谱，发现大骨节病患者硒蛋白基因转录异常，尤以抗氧化酶、氧化还原、甲状腺激素代谢类的硒蛋白基因低表达为主要特征，且与大骨节病发生风险相关；.3.大骨节病硒蛋白基因转录水平降低与DNA高甲基化显著相关，证实DIO2、DIO3、GPX3基因启动子区甲基化对大骨节病具有表观遗传调控作用；.4.低硒/T-2毒素可引起硒蛋白基因表观遗传改变，继而导致基因表达下调，抗氧化功能受损，在软骨细胞坏死和凋亡中发挥作用；.5.硒蛋白表观遗传改变可介导PI3K/Akt/c-fos等凋亡和氧化应激信号通路，并受SIRT1、MGMT、DNMT1、DNMT3a及启动子区CpG-SNPs等的调控。.科学意义.本项目首次诠释了大骨节病中硒蛋白对基因转录的表观遗传学调控作用，显著推进了大骨节病病因和发病机制研究，为鉴定大骨节病分子标志物提供了科学依据。项目已发表论文38篇，其中SCI收录11篇，中文期刊14篇，会议论文13篇，参编专著3部；获得陕西省科技进步二等奖1项、陕西省高等学校科学技术一等奖1项及西安市科学技术三等奖1项；参加国际会议11人次，国内会议35人次，大会特邀报告10人次；邀请外籍专家来访4人次；培养博硕士研究生20名，毕业9名。