肝癌中印记基因IGF2转录激活的H3K4组蛋白甲基化修饰机制

IGF2 is a typical imprinting gene, but it the reason why the expression of IGF2 is not regulated by the classical imprinting mechanism in hepatocellular carcinoma (HCC) is still unknown. We found that as the product of MEN1, menin promoted the expression of imprinted IGF2 via H3K4 trimethylation modification in TP53 dependent manner in HCC. The histone 3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3) is one of switches not noticed which could regulate the imprinting status. In this research, we will initiate through integrated analysis of ChIP-on-chip and expression profile data, utilize the MEN1、MLL knockout or tissue specific knockout mouse models, make use of ChIP、3C and other technologies, to reveal the regulation law between menin/MLL histone methyl-transferase(HMT) complex and imprinting gene such as IGF2 in the process of liver pathophysiology, then identify the histone modification features and composition of HMT complex; analyse the chromosome structure of the imprinting regulation domain of IGF2-H19 affected by histone modification; illustrate the key role of TP53 pathway mediated DNA hypermethylation of imprinting regulation domain during H3K4 activated loss of impringting of IGF2, explain the H3K4me3, H3K27me3 modification and DNA methylation to traditional regulation machanism of imprinting. These results will help enrich the essential theory of gene imprinting regulation through positive histone modification of H3K4me3.

IGF2是典型印记基因，但在肝癌中IGF2的表达并不遵循印记调控规律，其原因尚不清楚。我们发现，肝癌中MEN1基因的编码蛋白menin调控的H3K4组蛋白甲基化通过TP53依赖性方式激活印记状态的IGF2表达，是目前未被关注的印记调控开关之一。本研究拟从已获得的组学数据的整合性分析入手，利用MEN1、MLL等基因肝脏特异性敲除小鼠模型，采用ChIP、3C等技术，鉴定肝脏病生理过程中参与IGF2转录激活的组蛋白甲基转移酶复合物组成及其组蛋白共价修饰规律；分析组蛋白共价修饰对IGF2-H19基因印记调控区域染色体结构的影响；阐明TP53通路介导的印记调控区域DNA超甲基化在H3K4激活的IGF2印记释放中的关键作用；揭示menin/MLL复合物调控的H3K4组蛋白修饰与DNA甲基化、H3K27组蛋白甲基化等传统印记调控机制之间的关系。这将有助于从H3K4正性组蛋白修饰角度丰富印记基因调控理论。

基因组印记（Genomic imprinting）是一种不遵循孟德尔遗传规律的基因转录调控方式，引起来至不同亲代的一对等位基因的差异表达。IGF2是典型印记基因，在人类基因组中，IGF2基因广泛受印记调控，当印记丢失时激活IGF2表达，直接导致胚胎发育异常或促进肿瘤恶性生长。在肝癌，IGF2的增高往往预示不良预后，IGF2的表达水平与肝癌患者的临床分期与远端转移具有相关性。但在肝癌中IGF2的表达并不遵循印记调控规律。我们通过建立IGF2高表达的肝细胞癌模型鉴定肝脏病生理过程中参与IGF2转录激活的组蛋白甲基转移酶复合物组成及其组蛋白共价修饰规律；分析组蛋白共价修饰对IGF2-H19基因印记调控区域染色体结构的影响；阐明印记调控区域DNA超甲基化在H3K4激活的IGF2印记释放中的关键作用；揭示menin/MLL复合物调控的H3K4组蛋白修饰与DNA甲基化、H3K27组蛋白甲基化等传统印记调控机制之间的关系。有助于从H3K4正性组蛋白修饰角度丰富印记基因调控理论。. 同时我们也关注到，单核-巨噬细胞分化过程受到多方面因素的影响，不同分化诱导物激活不同信号通路引起的不同转录因子的改变进而导致单核-巨噬细胞的分化。巨噬细胞分化过程中如何受动态建立的表观遗传学修饰、调控转录因子的动态变化机制仍未明了。本研究发现了在巨噬-细胞分化相关的转录因子（如HOXAs和FOXOs等）启动子上同时存在正性组蛋白甲基化修饰H3K4me3以及负性修饰H3K27me3，HOXAs基因的表达被快速抑制与单核-巨噬细胞分化进程密切相关；证明了H3K4me3参与调控HOXAs基因在起始和终末分化期，而H3K27me3在维持巨噬细胞功能维持期HOXAs基因的持续低水平表达；证实了H3K27me3的重编程在单核-巨噬细胞分化过程中FOXOs基因的表达上调中起主要作用，并且发现H3K4me3和/或H3K27me3的小分子抑制剂MI-3与GSK126显著促进THP-1和K562细胞向巨噬细胞的分化程序。共同阐明了表观遗传的动态建立是单核-巨噬细胞分化、维持的关键分子机制。. 以上研究有助于我们更好地理解组蛋白重塑机制在细胞分化、肿瘤形成中的重要作用。