组蛋白去甲基化酶在非洲爪蛙胚层分化形成中的功能研究

Differentiation of early embryonic cells into the ectoderm, mesoderm and endoderm germ layer cells is accompanied by dramatic changes in gene transcription. Increasing evidence confirms that histone methylation plays essential roles in the regulation of trancription. Histone demethylases are able to regulate gene transcription via histone demethylation modification. A series of histone demethylases are expressed during the procedure of germ layer formation, implying that they might be involved in the process. However, the issue has so far not been well investigated. In the present project, we will analyze the functions of histone demethylases during germ layer differentiation and patterning using Xenopus laevis as a model animal. We will in somewhat details investigate the mechanisms by which these enzymes mediate transcription via regulation of histone modifications, so as to regulate differentiation status of early embryonic cells. Since Nodal, Wnt and BMP pathways are the major signals promoting germ layer differentiation and patterning, we will also analyze the correlation between histone demethylases and these pathways during germ layer formation. The results will be of theoretical importance as they help to understand the relationship between histone methylation, gene transcription and cell fate determination during early embryogenesis.

早期胚胎细胞向内、中、外胚层细胞的分化伴随着基因转录的急剧变化。组蛋白的甲基化修饰在基因转录中扮演重要的调节功能。组蛋白去甲基化酶可以对染色质组蛋白进行去甲基化修饰，从而调节基因的转录。在早期胚胎的胚层分化形成过程中，存在一系列组蛋白去甲基化酶，暗示它们可能参与这一过程，但迄今缺乏相关研究。本课题拟利用非洲爪蛙为模式动物研究组蛋白去甲基化酶在胚层分化形成的功能，探索它们如何通过改变染色质的修饰状态来调节基因的表达，从而调节早期胚胎细胞的分化状态，以及与Nodal、Wnt、BMP等促进胚层分化形成的信号通路之间的相互联系。研究的成果也将有助于理解组蛋白甲基化修饰状态与基因转录、细胞命运决定之间的关系，丰富早期胚胎发育的理论。

表观遗传修饰因子在通过调节染色质的修饰以及调节非组蛋白的功能在调节胚胎发育、组织和器官的形成、维持组织的稳态等方面具有重要的作用。然而，有关表观遗传修饰因子如何调节胚层分化形成的机制很不清楚。针对于此，本项目主要的研究内容聚焦于表观遗传修饰因子Kdm2a/b以及Jmjd6通过调节Wnt信号通路从而调节胚层分化和体轴发育。研究发现组蛋白去甲基化酶Kdm2a/b可以调节Wnt信号通路靶基因的转录。机制研究表明，在Wnt信号通路激活后，Kdm2a/b在细胞核中与氨基端稳定的beta-catenin结合，促使beta-catenin的降解，从而抑制beta-catenin在细胞核中的过度积累，从而缓解或者抑制Wnt信号通路。进一步的研究表明beta-catenin可以被甲基化，而Kdm2a/b对beta-catenin的去甲基化作用是促进细胞核中beta-catenin降解的前提。这一结果揭示了在Wnt信号通路激活后，beta-catenin在细胞核内调节的新机制。在非洲爪蛙胚胎中，我们发现Kdm2a/b调节Wnt信号通路的靶基因，从而调节胚层的分化和体轴的形成。此外，我们还发现精氨酸去甲基化酶Jmjd6对Wnt信号通路的调节作用及其对胚胎体轴发育的影响。Jmjd6与另一个Wnt信号通路的信号传递因子Tcf71结合，结果会导致Wnt信号通路靶基因转录增强。Jmjd6结合在Tcf7l1与转录共抑制因子Groucho结合的区域，因此可以与Groucho产生结合竞争，使Tcf7l1失去转录抑制功能，导致靶基因的转录增强。在胚胎中，Jmjd6的过表达或者敲降对体轴发育产生显著影响，并调节Tcf7l1对靶基因的转录。两项研究成果都说明表观遗传修饰因子可以通过对非组蛋白的调节作用来调控Wnt信号通路，进而调节胚层分化和体轴形成。这些研究成果对其他领域的研究比如干细胞生物学和肿瘤生物学具有重要的借鉴价值。研究结果发表在《Developmental Cell》以及《Journal of Biological Chemistry》等主流学术期刊上。