組蛋白甲基化與DNA甲基化的相互作用及其表觀遺傳機制的研究.pdf

1、基因組DNA包含了絕大部分的遺傳物質(zhì)，對于真核生物而言，DNA纏繞組蛋白八聚體形成核小體，進而被包裝在染色質(zhì)內(nèi)。染色質(zhì)會發(fā)生DNA和組蛋白等的共價修飾，從而影響相應(yīng)區(qū)段DNA的轉(zhuǎn)錄，某一特定時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胞在特定時空條件下的基因表達譜從而決定了細胞類型和對內(nèi)外環(huán)境的響應(yīng)。相同的基因組可以對應(yīng)多種不同的表觀基因組，并且表觀基因組可以通過有絲分裂和減數(shù)分裂進行遺傳。染

2、色質(zhì)修飾在調(diào)控基因表達過程中的作用、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)成為當前研究的前沿和熱點。本研究以一個染色質(zhì)修飾酶（組蛋白去甲基化酶）為對象研究組蛋白甲基化在調(diào)控基因表達和植物發(fā)育中的作用，同時從一個表觀遺傳現(xiàn)象入手研究組蛋白甲基化和DNA甲基化之間的相互關(guān)系及其遺傳機理。水稻JMJ703蛋白屬于Jumonji類組蛋白去甲基化酶，研究發(fā)現(xiàn)JMJ703特異的去除與基因

3、表達激活相關(guān)的組蛋白H3第四位賴氨酸位點(H3K4)的三種甲基化修飾(H3K4me1/2/3)。通過解析該蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，進一步研究了該蛋白的活性特點和底物識別機制。JMJ703的缺失突變引起水稻的植株高度變矮，而組織切片沒有發(fā)現(xiàn)莖稈的細胞長度的變化，推測jmj703突變體中細胞分裂的速率受到了影響。進一步研究發(fā)現(xiàn)，細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;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，與其基因表達的變化一致;因此在水稻發(fā)育過程中，JMJ703可能通過去除細胞分裂素氧化酶基因的H3K4甲基化而抑制其過量表達，從而維持體內(nèi)激素水平的平衡。為了進一步研究該蛋白在表觀調(diào)控和遺傳中的作用，檢測了jmj703突變體中DNA甲基化情況，沒有發(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超表達后卻通過去除基因轉(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“干細胞

5、”愈傷組織為對象，通過分析公共數(shù)據(jù)庫中愈傷組織特異表達的基因，發(fā)現(xiàn)了一個受DNA甲基化抑制的基因CXS(constant exclusion of silence)。該基因經(jīng)過組織培養(yǎng)后被激活，同時伴隨著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的基因不同的是，在愈傷分化形成植株后該基因的表達和染色質(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、達且能夠引起H3K4me3的上升，并且可以遺傳到后代。在細胞分化產(chǎn)生的植株及其后代中，由于持續(xù)的DNA去甲基化而使CXS的表達得以維持，然而超表達組蛋白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的表達則略有上升，說明JMJ703介導(dǎo)的H3K4甲基化變化參與了CXS的表達和DNA甲基化修飾的調(diào)控。另一方面，超表達組蛋白H3K27的甲基轉(zhuǎn)移酶

7、基因OsCLF的水稻中也出現(xiàn)了CXS的表達抑制和DNA甲基化的恢復(fù)，說明H3K27me3可能首先抑制了CXS的表達，進而通過DNA甲基化的恢復(fù)徹底對CXS進行抑制。另外，一個染色質(zhì)變構(gòu)因子CHR729的缺失突變也使CXS的表達發(fā)生了抑制，說明染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變動對CXS表達的維持也很重要。然而進一步的研究發(fā)現(xiàn)，在OsCLF超表達和chr729突變體的愈傷中CXS的表達雖略有下降但相較于這些材料的苗卻是有明顯的表達的，并且jmj703突變體愈

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