基因印记和DNA甲基化的维持机理的研究

Genomic imprinting is defined as parent-of-origin dependent monoallelic expression of a subset of genes, many of which encode critical cell growth regulators and tumor suppressors. Genomic imprinting, which is essential for embryogenesis, is controlled by allele specific DNA methylation known as imprints. Once established during gametogenesis, these genomic imprints are stably maintained throughout development, even surviving a dramatic global demethylation wave during preimplantation embryogenesis. However, genomic imprints are frequently altered in cancer and the loss of imprinting (LOI) has been shown to promote tumorigenesis. Currently, the mechanisms underlying the resistance of genomic imprints to demethylation and their misregulation in cancer are not well understood. Elucidating these molecular principles is essential for both understanding mammalian development and cancer treatment. Recently, we have identified by far the largest number of genomic imprint candidates in mice. In my proposed research, we will examine the mechanism by which DNA methylation is maintained at these imprinted loci and elsewhere during early development, and how misregulation of such mechanism may contribute to the altered epigenetic landscape and gene transcription in cancer. The proposed study will elucidate the fundamental principles of epigenetic regulation of mammalian development, and shed light on the etiology of epigenetics related human diseases including cancer.

基因印记是一种基于亲本的单等位基因表达的现象。这种现象在哺乳动物中通常只出现在几百个特殊的基因上，但这些基因包含很多重要的细胞生长因子或者是抑癌基因。它们的正常表达是动物发育所必需的。基因印记由等位基因差异性DNA甲基化所控制。这种差异性DNA甲基化在配子形成的时候建立，并能够在细胞分化和个体发育过程中稳定地遗传下去，甚至不受胚胎发育早期基因组大规模去甲基化重编程的影响。然而基因印记经常在癌症细胞中发生异常，而基因印记的缺失也在小鼠中被证明能够促进癌症的发生。到现在为止，基因印记是如何在发育过程中稳定遗传，并逃脱DNA去甲基化的影响，它们在癌症细胞中又是如何失调的，这些问题仍然是未知的。申请人将重点研究DNA甲基化是如何在基因印记区域和其他一些基因组区域稳定遗传的，这种机制在肿瘤细胞中又是如何紊乱的。这些研究将为阐明动物发育和相关疾病的表观遗传调控提供理论支持。

DNA甲基化能够参与基因表达调控，影响基因组稳定性，并可以通过基因印记这种特殊形式在亲代和子代间传递表观遗传记忆。DNA甲基氧化酶TET蛋白家族的成员能够介导DNA甲基化的主动去除，对于去除PGC中的印记很重要。申请人研究组发现TET蛋白家族成员TET1在小鼠不同发育时期中存在两个亚型(Zhang et al., 2016)。其中全长TET1亚型（TET1e）仅在小鼠早期胚胎、小鼠胚胎干细胞和原始生殖细胞中表达；而缺失N端的短TET1亚型（TET1s）则广泛表达于小鼠的体细胞中。有意思的是，全长亚型TET1e相比于短亚型TET1s有着更强的整体染色质亲和能力。这种整体染色质亲和能力能够显著促进DNA去甲基化能力。通过建立在整个生命周期中只能表达短亚型TET1s的小鼠模型，申请人实验室发现在这些小鼠的原始生殖细胞中，基因组印记不能被正确地去除。而原始生殖细胞中基因印记的擦除是对配子中基因印记的性别特异性重建和传递到下一代所必需的。此外，在大部分的胚胎发育的关键因子中，不管它们的转录活性如何，DNA甲基化在这些因子的启动子中始终不存在。这些启动子经常表现出异常大的低甲基化区域，远远超出它们的近端启动子，我们称之为DNA甲基化谷（DMV）。然而，对于早期发育的启动子区通常存在不同寻常的大范围 DNA甲基化的缺失(最长可达 70kb)的机制还不清楚。因此，我们试图确定DMV中低甲基化调节的分子机制（Li et al., 2018)。我们发现Polycomb 复合体蛋白具有促进早期发育基因附件的DMV维持低甲基化的作用，在小鼠胚胎干细胞中敲除Polycomb 复合体中的EED蛋白，我们观察到DMV中出现异常甲基化，同时这种调节可能是通过TET蛋白发挥作用的。以上研究深入探索了DNA甲基化在发育和胚胎干细胞中的调控机制，以保证亲代表观遗传记忆-基因印记的正常擦除以及发育基因的精确表达。