UNG糖苷酶在DNA去甲基化和哺乳动物早期胚胎发育过程中的作用及机制

DNA methylation causes change of chromatin structure and gene transcriptional activity and plays a key role in the regulation of mammalian development and cell lineage conversion. The formation of genomic methlylation patterns is a result of two opposing events, demethylation and de novo methylation. The recent discovery of 5-hydroxymethylcycytosine (5hmC) and Ten-elevan-translocation (Tet) dioxygenases catalyzing the generation of 5hmC has provided a clue about how active demethylation might take place. Our previous work described a pathway (5mC→5hmC→5caC→C) which is initiated by Tet-dependent oxidation of 5mC, followed by the TDG glycosylase-mediated processing of the higher oxidation product – 5-carboxylcytosine and demonstrated its relevance in somatic cell reprogramming However, this pathway might be not the only one operating in development based on our unpublished observation. Active demethylation proceeds normally in mouse early embryos deficient in TDG. UNG, known to be a glycosylase, was able to reactivate methylated reporter gene expression when co-transfected with Tet2 and reduce the genomic level of 5caC in transfected cells. In the proposed project, we attempt to dissect the molecular mechanism underlying the function of UNG in demethylation and gene activation. Potential roles of UNG in the regulation of mouse zygotic epigenetic reprogramming and embryonic development will also be addressed.

DNA甲基化引起染色质结构和基因活性的改变，在哺乳动物个体发育和细胞分化等过程中起非常关键的作用。哺乳动物基因组甲基化谱式的形成涉及两个方面：DNA去甲基化和起始性甲基化。近年来，随着羟甲基化修饰的存在及其催化该修饰发生的TET双加氧酶的发现，使得人们对DNA去甲基化机理的认识有了较大提高。我们实验室前期工作揭示了TET和糖苷酶TDG介导的氧化-碱基切除修复偶联的主动去甲基化途径及其在体细胞重编程过程中的重要作用。然而，该途径可能并不是生物体内唯一的去甲基化途径，因我们未发表的数据显示TDG在Tet3介导的雄原核主动去甲基化过程中不起作用。我们前期工作显示UNG可以显著激活甲基化报告基因的表达，并且其高表达能显著降低瞬转TET的293T细胞中的caC含量。基于已有发现，本项目旨在探索UNG作为潜在的促进DNA去甲基化的因子在哺乳动物受精卵重编程中的作用及其对早期胚胎发育的调控机理。

DNA甲基化引起染色质结构和基因活性的改变，在哺乳动物个体发育和细胞分化等过程中起非常关键的作用。哺乳动物基因组甲基化谱式的形成涉及两个方面：DNA甲基化和去甲基化。近年来，随着羟甲基化修饰及催化该修饰发生的TET双加氧酶的发现，人们对DNA去甲基化机理的认识有了较大提高。我们实验室前期工作揭示了TET和糖苷酶TDG介导的氧化-碱基切除修复偶联的主动去甲基化途径及其在体细胞重编程过程中的重要作用。然而，TDG在Tet3介导的小鼠受精卵雄原核主动去甲基化过程中并不起作用，因此该途径可能并不是生物体内唯一的去甲基化途径。.本项目中，我们发现UNG2不仅可以激活受甲基化沉默的报告基因的表达，而且可以促进报告基因启动子区域的5mC发生主动去甲基化。进一步研究表明，UNG2还可以促进基因组整体5caC水平的降低和报告基因启动子区域上5caC的移除。此外，在Ung KO的小鼠受精卵中，雌雄原核的基因组特定位点的主动去甲基化受到了一定程度的抑制，而且这些位点的主动去甲基化也同样受到Tet3的影响，暗示UNG与Tet3在胚胎发育早期的DNA主动去甲基化上具有一定的协同作用。.然而，鉴于UNG2的缺失仅影响了部分位点的DNA去甲基化，并且早期胚胎发育仍能正常进行，我们对该项目进行了调整，继续探究受精卵中DNA主动去甲基化的机制：一方面研究5mC的氧化产物5hmC命运转变的分子机理；另一方面证实BER途径是否在受精卵DNA主动去甲基化过程中发挥作用。.此外，我们还在低等单细胞真核生物莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）系统中完善了DNA去甲基化的机制。我们首次在衣藻中鉴定到一种新型的TET同源蛋白，并发现该蛋白可以将维生素C的碳基骨架转移到DNA上，产生一种全新的DNA修饰5gmC。随后我们进一步解析了维生素C直接参与该DNA修饰的反应机理，并揭示了这一蛋白及其产生的DNA修饰在调节莱茵衣藻光合作用过程中的重要作用。