组蛋白甲基化修饰在叶酸引起的神经管畸形中的作用和分子机制研究

Neural tube defects (NTDs) are severe, common birth defects that result from failure of neural tube closure. NTDs displays complex traits with multifactorial etiology encompassing both genetic and environmental components. The disorder of folate one-carbon metabolism is one of the most important reasons for NTDs. So far, pathological mechanisms of NTDs are not yet fully understood. Our team analyze the Genome‑wide of histone methylation modifications related transcription to identify their distribution and variation in NTDs brains special of which maternal folate levels were lower than of normal control by ChIP-seq. This project to solve scientific problems is how histone methylation modifications affect gene transcription and how these regulations influence the occurrence and development of NTDs. We will definite histone methylation modifications selective regulation in growth pathway and investigate the effects of histone methylation modifications on the regulation of growth gene expression through multifold molecular and cellular biology assays. At the same time, we will make further study on function and mechanism of histone methylation modifications in the occurrence and development of NTDs. This project will provide a platform for investigating histone modifications in neural disease and also has an insight into a potential role of aberrant histone modification in etiology of NTDs.

神经管畸形(neural tube defects, NTDs)是一种高发的出生缺陷性疾病。NTDs是多因素疾病，是遗传和环境因素共同作用的结果，其中叶酸一碳代谢紊乱是NTDs发生最重要的原因之一。目前对NTDs病因和发病机理至今仍不十分清楚。课题组前期以低叶酸营养的NTDs组织为模型，用ChIP-seq法比较了与转录相关的主要组蛋白甲基化修饰标志在全基因组范围内的分布变化规律。组蛋白甲基化修饰如何影响基因的转录及这种调控形式如何影响NTDs发生发展是本项目拟解决的科学问题。我们将利用分子生物学、细胞生物学的技术方法明确组蛋白特异位点的修饰对生长发育相关通路的调控，检测组蛋白甲基化修饰对基因表达的影响及其在基因表达调控中的分子机制。在此基础上，利用动物模型和临床标本对组蛋白修饰在NTDs发生发展的作用做深入分析。本项目将为深入认识组蛋白甲基化修饰和人类NTDs的发生关系奠定科学依据。

神经管畸形（NTDs）作为一种严重的先天畸形是由神经管在早期发育过程中闭合失败引起的。NTDs的病因是多样的，环境和遗传因素在神经管畸形的形成中发挥着重要作用。母体叶酸水平的缺乏是引起神经管畸形最为重要的原因之一，但是其机制尚不清楚。本项目在分子、细胞、动物模型、临床样本等多个层面，系统研究了低叶酸干预下，组蛋白甲基化H3K79me2对Shh通路的功能及调控机制的变化。从细胞水平，研究首先发现在低叶酸干预的mESC中，组蛋白甲基化酶Dot1l和H3K79me2表达水平降低；ChIP-seq联合生物信息学分析显示，在低叶酸干预下，H3K79me2在转录起始位点（TSS）的聚集显著降低，进一步研究发现H3K79me2和Shh通路基因结合降低，抑制Shh通路基因的表达。机制研究表明, 低叶酸干预下，H3K79me2对Shh通路基因的调控依赖于其组蛋白甲基化酶Dot1l。叶酸增补模型中，H3K79me2对Shh通路基因的表达有干预作用，研究发现H3K79me2和Shh通路基因结合增强，Shh通路基因表达上调。从动物水平，我们首先建立了叶酸缺乏饲喂联合MTX诱导的NTDs小鼠模型。在NTDs小鼠胚脑组织，H3K79me2蛋白表达水平下调，Shh通路基因、Dot1l基因转录水平下调。在人临床样本水平，我们发现低叶酸营养的NTDs脑组织中SHH通路基因、DOT1L基因表达均下调，H3K79me2水平降低；统计学分析表明低叶酸营养NTDs样本中，H3K79me2的表达和SHH通路基因SHH、SUFU存在关联性。本课题从研究母体叶酸、组蛋白甲基化修饰与神经管闭合重要通路、NTDs发生之间的关系,从而为研究母体环境中危险因素调控胎儿基因表达的研究奠定理论基础,同时有助于增强当前营养干预策略以降低NTDs。