組蛋白甲基化與DNA甲基化的相互作用及其表觀遺傳機(jī)制的研究.pdf

1、基因組DNA包含了絕大部分的遺傳物質(zhì)，對(duì)于真核生物而言，DNA纏繞組蛋白八聚體形成核小體，進(jìn)而被包裝在染色質(zhì)內(nèi)。染色質(zhì)會(huì)發(fā)生DNA和組蛋白等的共價(jià)修飾，從而影響相應(yīng)區(qū)段DNA的轉(zhuǎn)錄，某一特定時(shí)空條件下的所有染色質(zhì)修飾的組合稱為表觀基因組（epigenome）。表觀基因組決定了細(xì)胞在特定時(shí)空條件下的基因表達(dá)譜從而決定了細(xì)胞類(lèi)型和對(duì)內(nèi)外環(huán)境的響應(yīng)。相同的基因組可以對(duì)應(yīng)多種不同的表觀基因組，并且表觀基因組可以通過(guò)有絲分裂和減數(shù)分裂進(jìn)行遺傳。染

2、色質(zhì)修飾在調(diào)控基因表達(dá)過(guò)程中的作用、染色質(zhì)修飾之間的相互關(guān)系及表觀基因組的重排(reprogram)與遺傳(inheritance)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的前沿和熱點(diǎn)。本研究以一個(gè)染色質(zhì)修飾酶（組蛋白去甲基化酶）為對(duì)象研究組蛋白甲基化在調(diào)控基因表達(dá)和植物發(fā)育中的作用，同時(shí)從一個(gè)表觀遺傳現(xiàn)象入手研究組蛋白甲基化和DNA甲基化之間的相互關(guān)系及其遺傳機(jī)理。水稻JMJ703蛋白屬于Jumonji類(lèi)組蛋白去甲基化酶，研究發(fā)現(xiàn)JMJ703特異的去除與基因

3、表達(dá)激活相關(guān)的組蛋白H3第四位賴氨酸位點(diǎn)(H3K4)的三種甲基化修飾(H3K4me1/2/3)。通過(guò)解析該蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究了該蛋白的活性特點(diǎn)和底物識(shí)別機(jī)制。JMJ703的缺失突變引起水稻的植株高度變矮，而組織切片沒(méi)有發(fā)現(xiàn)莖稈的細(xì)胞長(zhǎng)度的變化，推測(cè)jmj703突變體中細(xì)胞分裂的速率受到了影響。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞分裂素氧化酶基因(CKX)在突變體的幼嫩組織中有明顯上升的表達(dá);染色質(zhì)免疫沉淀也發(fā)現(xiàn)突變體中CKX基因的H3K4me3

4、修飾明顯上升，與其基因表達(dá)的變化一致;因此在水稻發(fā)育過(guò)程中，JMJ703可能通過(guò)去除細(xì)胞分裂素氧化酶基因的H3K4甲基化而抑制其過(guò)量表達(dá)，從而維持體內(nèi)激素水平的平衡。為了進(jìn)一步研究該蛋白在表觀調(diào)控和遺傳中的作用，檢測(cè)了jmj703突變體中DNA甲基化情況，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)重復(fù)序列和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的DNA甲基化受到影響，而JMJ703超表達(dá)后卻通過(guò)去除基因轉(zhuǎn)錄區(qū)的H3K4me3修飾而影響DNA甲基化及其遺傳。
　　 本研究以水稻中的“干細(xì)胞

5、”愈傷組織為對(duì)象，通過(guò)分析公共數(shù)據(jù)庫(kù)中愈傷組織特異表達(dá)的基因，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)受DNA甲基化抑制的基因CXS(constant exclusion of silence)。該基因經(jīng)過(guò)組織培養(yǎng)后被激活，同時(shí)伴隨著DNA去甲基化、H3K4me3的上升、H3K27me3的下降和該區(qū)域染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的松散，與其他愈傷特異表達(dá)的基因不同的是，在愈傷分化形成植株后該基因的表達(dá)和染色質(zhì)修飾狀態(tài)仍然維持。DNA甲基化抑制劑處理不但可以在野生型植株中激活CXS的表

6、達(dá)且能夠引起H3K4me3的上升，并且可以遺傳到后代。在細(xì)胞分化產(chǎn)生的植株及其后代中，由于持續(xù)的DNA去甲基化而使CXS的表達(dá)得以維持，然而超表達(dá)組蛋白H3K4去甲基化酶基因JMJ703的植株中，CXS重新發(fā)生DNA甲基化而被抑制并且在后代中持續(xù)處于抑制狀態(tài)，而jmj703突變體中的苗中CXS的表達(dá)則略有上升，說(shuō)明JMJ703介導(dǎo)的H3K4甲基化變化參與了CXS的表達(dá)和DNA甲基化修飾的調(diào)控。另一方面，超表達(dá)組蛋白H3K27的甲基轉(zhuǎn)移酶

7、基因OsCLF的水稻中也出現(xiàn)了CXS的表達(dá)抑制和DNA甲基化的恢復(fù)，說(shuō)明H3K27me3可能首先抑制了CXS的表達(dá)，進(jìn)而通過(guò)DNA甲基化的恢復(fù)徹底對(duì)CXS進(jìn)行抑制。另外，一個(gè)染色質(zhì)變構(gòu)因子CHR729的缺失突變也使CXS的表達(dá)發(fā)生了抑制，說(shuō)明染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變動(dòng)對(duì)CXS表達(dá)的維持也很重要。然而進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在OsCLF超表達(dá)和chr729突變體的愈傷中CXS的表達(dá)雖略有下降但相較于這些材料的苗卻是有明顯的表達(dá)的，并且jmj703突變體愈

8、傷中CXS的表達(dá)和野生型的愈傷也沒(méi)有區(qū)別，因此這些蛋白對(duì)CXS的調(diào)控主要發(fā)生在愈傷再次分化成苗的過(guò)程中。以上結(jié)果說(shuō)明在愈傷組織中CXS由于染色質(zhì)整體處于活躍狀態(tài)而表達(dá)，此時(shí)JMJ703、CLF和CHR蛋白對(duì)CXS的表達(dá)不起作用或者效果不明顯，而分化過(guò)程中CHR729蛋白可能通過(guò)維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變動(dòng)和對(duì)JMJ703以及CLF的阻止而維持CXS的表達(dá)，當(dāng)CHR蛋白不存在時(shí)JMJ703和CLF蛋白則通過(guò)是H3K4me3下降和H3K27me3上