遗传和环境因素决定UGT1家族表达活性的机制研究

The UGT1 cluster, which encodes the UGT1 family of drug-metabolizing enzymes, is highly variable in humans. Its expression pattern is significantly influenced by numerous endogenous and exogenous small molecules, such as drugs, hormones, and environmental carcinogens, and varies in a tissue- and developmental stage- specific manner. Recently, we found that several members of the UGT1 cluster are co-regulated by a set of nuclear receptors. In this grant application, we will investigate the regulatory mechanisms of the UGT1 gene cluster in cell nuclei by systems biological methods such as ChIP-seq and chromosome conformation capture (3C) and related method (4C). We will also identify potential regulatory elements in the chromosomal regions by molecular biology and biochemistry methods. Finally, the conservation and coordination of these elements will be investigated in vertebrate models. These studies have important implications on how genetic and environmental factors affect the expression of members of the UGT1 drug metabolizing enzyme family, and provide scientific foundations for personalized therapy of human diseases.

编码人类药物代谢酶的UGT1基因簇高度变异，其活性受药物、激素和致癌物等体内外环境中各种小分子化合物的影响显著，且在机体的时空分布非常精密。我们近期发现一些UGT1基因成员受一系列核受体家族蛋白共调节。本申请将从染色体三维结构出发系统性地研究UGT1基因簇在细胞核中的空间调控模式，采用系统生物学方法（ChIP－seq和染色体构象捕获等衍生技术）解析UGT1基因簇在高度致密而动态的染色体三维结构中的相互作用网络，找出其调控元件，并研究这些调控元件如何协同作用控制着UGT1基因簇的表达，最后用脊椎动物模型检验它们的功能。该研究成果将有助于更好地诠释遗传和环境因素对UGT1药物代谢酶家族个体表型差异的影响，为临床合理用药及人类疾病的个体化治疗提供科学依据。

人类Ⅱ型药物代谢酶-尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶1 (UGT1：UDP-glucuronosyltransferase)是一类重要的药物代谢蛋白质群。该蛋白质群包含9个功能冗余的同工酶蛋白质，它们由一个位于2号染色体上的UGT1基因簇编码。人类UGT1基因簇包含13个串联排列的基因和假基因，它们编码的mRNA的5′末端序列高度相似但不完全一样，所以称作可变区；它们编码的mRNA的3′末端序列完全一样，称作恒定区。编码这些UGT1可变区的外显子称作可变区外显子，UGT1可变区外显子串联排列形成一个可变区，在UGT1可变区的下游有4个外显子编码UGT1的恒定区，称作恒定区外显子。UGT1基因簇包含13个启动子，其活性受药物、激素和致癌物等体内外环境中各种小分子化合物的影响和调控。本研究从染色质三维结构出发系统性地研究了UGT1基因簇的空间调控模式，开发了编辑重复序列的DNA大片段编辑技术，发现一些UGT1基因簇成员受一系列核受体家族蛋白共调节，采用染色体构象捕获衍生技术解析了UGT1基因簇在高度致密而动态的染色体三维结构中的相互作用网络，结合特定染色质修饰标记物的分布状态找出了其远近端的所有调控元件，研究了这些调控元件如何协同作用控制着UGT1基因簇的表达，最后采用CRISPR基因编辑技术结合RNA-seq检测在细胞模型中检验了它们对UGT1基因转录调控的功能。该研究成果将有助于更好地诠释遗传和环境因素对UGT1药物代谢酶家族在人类个体表型上具有差异的机制，解释UGT1基因簇中各个UGT1基因的时空表达及其启动子受多种小分子化合物通过核受体等诱导调控的现象，为临床合理用药及人类疾病的预防提供科学依据。