DNA甲基转移酶I突变导致神经发育和退行性疾病的表观遗传学机制研究

DNA methyltransferase I (DNMT1) is the only maintenance DNA methyltransferase for DNA methylation in mammals. Mutations of DNA binding domain in DNMT1 cause a set of hereditary neurodegenerative disorders including HSAN1E and ADCA-DN, which exhibit symptoms of sensory neuropathy, early-onset dementia, sensorineural hearing loss and narcolepsy. How DNMT1 mutations mediating neurodegeneration is still unclear. Our group has previously found that DNMTs are important for neurodevelopment and maturation. Conditional mutations of DNMT1 leads to neuronal cell death and defects in learning and memory. Because HSAN1E and ADCA-DN are caused by point mutations, in this study, we propose to use CRISPR technology to generate HSAN1E and ADCA-DN DNMT1 point mutations in mouse models in vivo. In these mouse models, we will examine how DNMT1 point mutations alter epigenetic factors including DNA methylation patterns. We will further identify abnormal changes in the DNA methylation pattern and RNA transcriptome at the single-cell level, and associate these molecular alternations with neuronal degeneration and apoptosis phenotype. This study will characterize the function of DNMT1 in specific neurons in vivo. The proposed experiments will reveal molecular targets in association with DNMT1 mutation-mediated neurodegeneration, thereby providing a new theoretical framework for the treatment of HSAN1E and ADCA-DN.

DNA甲基转移酶I(DNMT1)是哺乳动物中维持DNA甲基化的酶，其DNA结合域的突变会导致HSAN1E和ADCA-DN等神经退行性的遗传疾病，症状包括感觉神经病变、早发性失智症、听觉丧失和发作性嗜睡病等。然而，DNMT1突变导致神经退行性疾病的机制仍不明确。本课题前期发现DNMT1对大脑的发育和成熟非常重要。条件性敲除神经系统的DNMT1导致神经元凋亡及学习和记忆缺陷。本研究将应用CRISPR基因编辑技术构建HSAN1E和ADCA-DN DNMT1点突变的小鼠模型。在这些突变模型中，利用单细胞测序技术解析小鼠神经元细胞中DNMT1点突变所引起的DNA甲基化和转录谱的动态变化，及其与神经元的退化和凋亡相关联机制。通过阐明DNMT1在特定神经元中的功能，本研究必将揭示DNMT1突变相关的神经退行性疾病的分子靶标，并为其治疗提供新的理论框架。

DNA甲基转移酶I(DNMT1)是哺乳动物中维持DNA甲基化的酶，其DNA结合域的突变会导致HSAN1E和ADCA-DN等神经退行性的遗传疾病，症状包括感觉神经病变、早发性失智症、听觉丧失和发作性嗜睡病等。然而，DNMT1突变导致神经退行性疾病的机制仍不明确。本课题前期发现DNMT1对大脑的发育和成熟非常重要。条件性敲除神经系统的DNMT1导致神经元凋亡及学习和记忆缺陷。. 本项目首先应用CRISPR基因编辑技术构建了DNMT1 A560V点突变的小鼠ADCA-DN疾病模型。以野生型小鼠为对照，本项目比对了纯合和杂合突变小鼠的神经生理学、神经病理学和行为学表型；同时利用小鼠ESC进行了体外定向分化为神经元的实验。本项目发现，Dnmt1 A560V突变导致迟发性的代谢和神经系统改变，与ADCA-DN患者的临床特征吻合。然后，本项目利用上述体内和体外模型，通过对大脑、小脑等各组织样本和细胞样本进行转录组和DNA甲基化组测序，并有机整合已有数据库信息。实验结果揭示了Dnmt1 A560V突变小鼠病变脑区的DNA甲基化和基因表达的动态变化，发现线粒体功能相关基因表达的异常驱动氧化应激，最终导致代谢和神经元功能障碍。为了进一步探索了DNMT1突变导致其功能变化的结构基础，本项目初步解析了野生型DNMT1和UHRF1的复合物。同时，我们制备了DNMT1 A560V突变蛋白，将比较突变型和野生型复合物的区别，从而解释Dnmt1 A560V突变引起DNA甲基化模式的变化，并最终导致神经系统疾病的机制。. 综上所述，本研究揭示了DNMT1点突变引起神经退行性疾病的分子机制，并为其治疗提供新的理论框架。