组蛋白H2A泛素E3连接酶Bmi1和Mel18在胚胎着床中的作用

In placental mammals, blastocyte implantation into uterine lining occurs through highly complex and orchestrated processes that gene expression and repression of multiple regulated genes are involved. In the recent years, researches indicate that chromatin modifications, such as histone modifications and DNA methylation, play key important roles in the epigenetic regulation of gene expression and repression. Polycomb group proteins were identified as a conserved chromation modification repressor whose products are required in multimeric complexes to matintain spatially restricted expression of Hox cluster genes. Polycomb group proteins exist in at least two biochemically distinct protein complexes, the histone H2A ubiquitinationase PRC1 complex and the EED-EZH2 complex. Bmi1 and Mel18 are critical components of PRC1, and play important roles in regulating self-renewal of stem cell and germ cell. Our previous data show that mice deficient for Mel18 or Bmi1 exhibit severe deficiency for blastocye implantation. However,the physiological mechanisms of Bmi1 and Mel18 in blastocyte implantation and uterus decidualization are unknown. We will use tansgenic and uterine conditional kncock out mice model to identity and characterize function of Bmi1 and Mel18 at such aspects: ① Dynamic expression pattern in the period of blastocyte preimplantation and uterus periimplantantion development; ② Mechanisms of epigenetic regulation of key genes during blastocyte implantation; ③ Biochemical function for histone E3 ubiqutin ligase of Bmil and Mel18 during the transiton from endometrium to decidual cells. Our project is to discover and enrich the moleculer epigentic regulation during the period of blastocyte implantation.

胚泡植入过程由复杂的调控网络控制，涉及到多个功能基因的开启和关闭。在参与这些功能基因的转录调控中，染色质重塑尤其是组蛋白修饰占据着核心位置。Polycomb是一类保守的组蛋白修饰抑制因子，其产物调控Hox基因的表达。Polycomb基因家族主要包括PRC1和PRC2两类复合体。已知PRC1复合体核心组分Bmi1和Mel18具有组蛋白H2A 泛素连接酶活性，并对干细胞和生殖细胞的自我更新具有重要意义。我们先期研究发现Bmi1和Mel18敲除小鼠对胚泡植入等生殖过程有重要影响，但其具体的生理机制还不得而知。本项目拟利用转基因和条件性敲除小鼠模型开展如下研究：① Bmi1和Mel18在植入前胚胎和围植入期子宫中的动态表达模式；② Bmi1和Mel18对胚泡植入等关键功能基因的表观遗传调控机制；③ Bmi1和Mel18对子宫内膜蜕膜化的调节机制，以期揭示和丰富小鼠胚泡植入等生殖过程的分子调控机理。

研究背景：新生命起始于精卵结合、受精、形成胚胎，而后必须植入子宫（着床）才能继续发育。Polycomb 是一类保守的组蛋白修饰抑制因子，已知PRC1 复合体核心组分Bmi-1 和Mel18 具有组蛋白H2A 泛素连接酶活性，并对干细胞和生殖细胞的自我更新具有重要意义，但在妊娠建立和维持的调控机制还不清楚。.主要研究内容：拟利用多种转基因小鼠、子宫条件性敲除小鼠模型按照发育时程，在在体水平、细胞水平和分子水平上系统研究Bmi-1 和Mel18 在胚泡植入、蜕膜发育等生殖事件中的作用和调控机制。.重要结果、关键数据及其科学意义：.（1）Bmi-1的敲除造成雌鼠生育能力下降甚至丧失，表性分析发现Bmi-1子宫特异敲除小鼠在植入和蜕膜化方面都存在缺陷，正常妊娠过程以及延迟植入模型中体外注射孕酮可以补偿 Bmi-1 敲除导致的植入缺陷， Bmi-1敲除后很有可能影响孕酮信号通路导致植入缺陷。Bmi-1的缺失很大程度上降低了孕酮受体的响应性，为进一步解释其原因，进而检测了孕酮受体复合体其他成员 (FBBP52，SRC1/2/3等)的表达情况，发现在Bmi1敲除的细胞系中SRC-1、FKBP52的表达量降低，并且过表达SRC-1 可以很大程度上补偿这种孕酮受体的缺陷，说明Bmi-1可能通过影响孕酮受体复合体其他成员进而影响孕酮受体的活性。目前临床上孕酮类似物大量用于早产、反复性流产、短宫颈以及IVF中，但是这些过程中孕酮及其受体到底是怎么样起作用的，以及在特定的生理过程中孕酮受体及其复合体中其他成员如何选择性调控其靶基因，对于这些方面尤其是孕酮受体泛素化调节以及如何招募鲜有报道，这对于解释临床上孕酮-孕酮受体的功能具有着非常重要的意义。 （2）Mel18敲除小鼠后表型分析发现植入和蜕膜化起始都没有出现问题，但小鼠出生率明显降低，经分析发现妊娠第8天蜕膜化出现问题，在人工诱导蜕膜化的模型中，Mel18敲除小鼠的蜕膜化起始出现明显障碍。Mel18敲除蜕膜的缺陷可能是由于Mel18敲除小鼠蜕膜区血管发育滞后，进而影响胚胎的营养供应，从而导致胚胎的最终死亡，具体的研究机制还在进行中。. 探讨Bmi-1 和Mel18 在胚胎着床过程中的调节作用及机制，以期揭示和丰富胚泡植入等生殖过程的表观遗传调控网络，对一些妊娠相关疾病的治疗具有一定的临床意义。