H3.3及其分子伴侣HIRA介导H2A.Z在基因组中置换的分子机制及其对基因转录和神经元干细胞分化调控的研究

Histone variants are a conserved population of nonconventional histones, which work as key chromatin components together with other canonical histones (H2A, H2B, H3, H4). Variance of their constitution in nucleosome could impact chromatin structure and further get involve in regulation of gene transcription, DNA repair, formation of chromatin fibers, sex chromosomal condensation and etc. H3.3 and H2A.Z are two important eukaryotic histone variants, while deposition of H3.3 in active genes is mediated by HIRA complex, replacement of H2A.Z in nucleosome is regulated through two chromatin remodelers, namely SRCAP and INO80.. All related researches so far revealed that both histone variants could influence nucleosomal stability and play key epigenetic roles during gene transcription and stem cell differentiation. However, molecular mechanism about how H3.3 interacts with H2A.Z and its function in stem cell remains still unclear. Therefore, this study will apply an experimental assay and bioinformatics combined regimen to unveil that mystery. Furthermore, investigation of its function during the transformation from embryonic stem cells to neural progenitor cells will also be performed.

组蛋白变体是一类保守的非常规组蛋白群体，可以与常规组蛋白 (H2A,H2B,H3,H4) 共同成为染色质的重要组成部分。其在核小体中成分的改变可以影响染色质的结构，并参与基因转录调控、DNA损伤修复、染色质纤维的形成、性染色体的凝缩等重要过程。H3.3和H2A.Z是真核生物中两个重要的组蛋白变体，组蛋白变体H3.3在活跃基因上的富集是由分子伴侣HIRA复合物调控的，而H2A.Z在核小体中的置换受到SRCAP和INO80两种染色质重塑酶的调控。.目前已有的研究均表明，两者可以共同影响核小体稳定性，并在基因转录和干细胞分化过程中具有重要的表观遗传调控作用。然而关于H3.3和H2A.Z之间相互作用的机制，及其对干细胞分化的功能还不是很清楚。本研究将利用实验与生物信息学相结合的方法对该机制进行探索，并研究其在胚胎干细胞向神经元干细胞分化过程中的功能作用。

对于真核生物来说，核小体是遗传物质的基本结构单元，它主要是由DNA缠绕在组蛋白八聚体上形成。通过核小体进一步的紧密折叠，使遗传物质以染色质形式存储在细胞核中。作为核小体的重要组成部分，组蛋白八聚体是由组蛋白H2A、H2B、H3和H4相互结合而形成。对于这些常规组蛋白，还存在着相应的变体，它们能代替常规组蛋白而成为核小体的组成成分。由于变体的氨基酸组成各有不同，组蛋白变体的动态替换能使核小体呈现不同的物理化学特性，从而对染色质结构、基因转录和DNA复制等过程发挥动态调控作用。. 作为最重要的两种组蛋白变体，H3.3能够标记增强子和启动子，并能和启动子区的H2A.Z一起调控基因的转录激活潜能，但对于H2A.Z和H3.3之间相互作用的调控机制，目前还不是很清楚。HIRA是H3.3最重要的分子伴侣之一，它将H3.3带入常染色质区，从而对多种生理生化过程产生调控作用。在本研究当中，我们在小鼠干细胞中发现，删除HIRA复合物会引起H2A.Z及其分子伴侣SRCAP与染色质的结合能力在整体水平上显著下降。生化实验和高通量测序分析也证明HIRA能够和SRCAP结合，以此介导其对H2A.Z进入核小体的调控。相比之下，敲低H2A.Z或SRCAP却不能影响H3.3在染色质上的变化，进而证明了HIRA对H2A.Z的上游调控功能。此外，删除HIRA所导致H3.3和H2A.Z之间作用的缺失，会使基因转录激活和干细胞分化能力下降。体外诱导分化发育的实验，也证实了该途径对干细胞向神经前体细胞的分化发育具有重要的调控作用。该研究结果为将来神经损伤疾病相关的干细胞治疗提供了表观遗传学理论基础。. 此外，我们在Hela细胞中发现敲低H2A.Z，会引起细胞增殖速率的下降。带有H2A.Z的核小体能够招募SUV420H1甲基转移酶，其能够对组蛋白H4的第20位赖氨酸进行二甲基化修饰（H4K20me2），后者能够招募ORC1到染色质上，从而建立ORC复合物，对DNA复制起始位点的标记和激活发挥重要调控功能。DNA复制时序分析表明，受H2A.Z- SUV420H1–H4K20me2–ORC1途径调控的DNA复制起始主要分布在S期早期，这对细胞增殖的调控具有重要作用，也对抗肿瘤药物开发提供了理论基础和候选靶点。