HDAC5在终末红系发育中的阶段特异性作用及分子机制研究

Erythropoiesis is a stage-specific process which is strictly regulated. However, its exact mechanism is still unclear by now. Acetylation of H4 gradually decreases during erythropoiesis, and histone deacetylases (HDACs) is the main family of enzymes that can catalyze the deacetylation of H4. Our previous studies indicated that the expression of HDAC5 dramatically increases in the late stage of erythropoiesis and is far higher than the expressions of the other HDAC family members. Knockdown of HDAC5 in HSCs mainly impaired terminal differentiation, proliferation and enucleation, but not early proliferation and differentiation. Based on these findings, we hypothesize that HDAC5 may play important roles in stage-specific regulations of erythropoiesis. In this application, we will explore the stage-specific effect and molecular mechanisms of HDAC5 in erythropoiesis with the methods of cell biology, bioinformatics and so on. Successful accomplishment of proposed studies will not only help to reveal the stage-specific regulatory mechanisms of HDAC5 in erythropoiesis, but also provide a theoretical basis for the reasons of anemia caused by HDACs inhibitors.

红系发育是一个受精密调控并具有阶段特异性的过程。然而到目前为止，对于红系发育各阶段的调控机制尚未阐述清楚。在红系发育中乙酰化组蛋白H4逐渐降低，而组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylases, HDAC)是主要的催化其去乙酰化的酶家族。课题组前期研究发现HDAC5在终末红系发育中显著升高，且远高于其它家族成员。在造血干细胞阶段敲低HDAC5的表达，主要影响了红系终末分化、增殖、核固缩以及脱核，不影响早期红系增殖以及分化。基于以上发现，我们推测HDAC5在红系发育过程中可能具有重要的阶段特异性调控作用。本项目拟利用细胞生物学、生物信息学等多种手段深入探索HDAC5在红系分化中的阶段特异性作用及分子机制。项目的完成不仅有助于揭示HDAC5在红系发育中的阶段特异性调控机制，也为HDACs抑制剂导致贫血原因提供理论依据。

组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylases, HDACs）是一组调控组蛋白和非组蛋白去乙酰化的家族。大量的研究证实HDAC家族参与广泛的生物过程。然而，在哺乳动物的红系发育过程中，他们的作用研究尚少。本研究显示，在11个经典的HDAC家族成员中，其中6个在人类有核红细胞中表达，分别是HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC5, HDAC6和HDAC7。在人类红系终末分化过程中，HDAC5的表达显著升高且远高于其它家族成员。将人CD34+细胞红系定向培养时，应用shRNA或siRNA进行HDAC5敲低，观察到敲低组细胞较对照组凋亡增加、染色质固缩减少、脱核障碍。生物信息学分析显示HDAC5敲低后可以通过升高P53乙酰化水平进而激活P53通路导致凋亡发生。在正常人类红系终末分化阶段，组蛋白4（Histone 4, H4）乙酰化水平呈下降趋势，然而HDAC5敲低后，晚期有核红细胞H4K12乙酰化水平升高。乙酰化水平升高伴随染色质固缩减少，提示H4K12去乙酰化在染色质固缩过程中具有重要的作用。ATAC-seq和RNA-seq分析显示，HDAC5敲低后，全基因的染色质可接近性增加，大量的基因表达发生改变。应用HDAC5抑制剂LMK235处理细胞，同样导致H4乙酰化水平升高、染色质固缩受损和脱核障碍。综上所述，我们的研究结果揭示了HDAC5在人类红细胞生成中未被认识到的作用及其机制，为HDAC抑制剂治疗相关性贫血提供理论依据。