核小体调控造血发育早期分化的机制研究

Differentiation is counteracted between lineage-specific transcription factors and pluripotent genes. How these genes are regulated is still partially known. Briefly, transcription initiates at the promoter region that is usually flanked between nucleosomes. In order for transcription to proceed, the first encounter inevitably involves removing this nucleosome barrier. My recent study has identified the existence of non-canonical nucleosomes positioned within CpG island that is located inside promoter region. As elevated methylation level of CpG island can repress pluripotent gene expression to induce hematopoietic differentiation, plus DNA methylation affects nucleosome formation, it leads to a plausible mechanism that it is the elevated methylation level in CpG island that converts non-canonical nucleosomes into canonical nucleosomes, and hence block the transcription factors from binding to its cognate motif, which leads to gene repression. To study this hypothesis, this project intends to investigate 1) How does methylation level of CpG island affect those non-canonical nucleosomes and consequently downstream gene expression? 2) What ATP-dependent chromatin remodelers are required for those non-canonical nucleosomes? 3) How does this interplay between CpG island methylation, nucleosomes and chromatin remodelers affect the earliest hematopoietic stages in mouse? The findings of this proposal should further our understandings towards hematopoietic transcription network.

发育分化是谱系特异性转录因子和多能性基因之间的相互平衡下进行的。这些基因表达是如何被调控的，至今尚未研究清楚。一般来说，转录起始发生在启动子区域内，其两侧通常有核小体。为了使转录进行，首要任务就是要移除此核小体障碍。申请人近期的研究发现：在启动子区域内有非典型核小体的存在。由于造血发育过程中，位于启动子区内CpG岛的甲基化程度，会影响多功能性基因的表达以促进分化；同时DNA甲基化会影响核小体的形成。这引导出CpG岛甲基化水平的提升，可能将非典型核小体置换成典型核小体，从而抑制下游多功能性基因表达的可能机制 。为研究这个机制，本项目拟进行以下三项研究：（1）CpG岛的甲基化水平如何影响非典型核小体及下游基因表达？（2）哪些ATP依赖型染色质重塑子是非典型核小体所必须的？（3）小鼠早期造血发育如何影响CpG岛甲基化，核小体及染色质重塑子？相关的研究成果可以帮助我们更加完整的理解造血发育的转录。

发育分化是谱系特异性转录因子和多能性基因之间的相互平衡下进行的。这些基因表达是 如何被调控的，至今尚未研究清楚。本项目试图以小鼠胚胎干细胞体外造血分化为研究系统，来研究正常造血发育过程中转录调节的动态变化和相关疾病发生的病理机制。重要结果包括1) 重编程因子对正常的cKit+造血干细胞可以进行重编程，然而促进了MLL-AF9的白血病细胞的凋亡（Wang et al., 2019. Nature Communications）；2) 染色质修饰因子asxl1-bmi1a调节中性粒细胞发育，突变所造成的中性粒细胞发育异常是髓系恶性肿瘤进展的基础（Xiao et al., under review）；3) 自主开发核小体分析软件 SEM来研究染色质状态中非典型核小体和CpG岛甲基化之间相互作用的机制（正在撰写文章）；4) 染色质状态影响重编程因子结合到基因组的机制研究（正在撰写文章）；5) 第一波早期造血与第二波造期造血可能使用相同的核心转录调节机制（正在撰写文章）。我们将继续详细研究表观基因组如何调控谱系特异性转录因子与其相关蛋白质机器在启动发育时间和空间上造血干细胞产生的调控机制，相信我们的研究将会对造血发育组过程中顺式元件上转录因子、表观因子和信号通路之间的协同作用提供更多的理解。