组蛋白修饰在视网膜损伤中的关键作用研究

The key role of histone modifications in diseases has been hot topics in epigenetics. Mass spectrometry-based proteomics has become a powerful tool for epigenetic research. Retina is rich in histones, and retinal injury leads to visual impairment and blindness. Using quantitative proteomics, our previous study has demonstrated that histone post-translational modifications (PTMs) including H4K20me2 and H4K16ac have altered significantly in rat retinas upon ischemia/reperfusion (I/R) injury, and proved that these changes were associated with DNA damage and inflammation. Given that retinal I/R injury induced neurovascular degeneration, to address whether abnormality in histone modifications and their regulatory enzymes is the key factor in retinopathy, interaction proteomics will be utilized to discover the enzyme which regulates H4K20me2 and to study the role of the enzyme via H4K20me2 in DNA damage using I/R injury rat model; using the same model, the role of SIRT1 via H4K16ac in inflammation will be also investigated; using diabetic rat model, quantitative proteomics will be performed to dissect the changes in the histone code in diabetic retinopathy. This proposal will provide valuable information in elucidating the significant role of histone PTMs in retinal injury.

组蛋白修饰在疾病中的关键作用是表观遗传学的热门研究领域。蛋白质组学是研究组蛋白修饰的强有力工具。视网膜富含组蛋白，其损伤是造成视力损伤和失明的主要原因。申请人前期利用定量蛋白质组学在大鼠视网膜缺血再灌注（I/R）模型中发现了大量组蛋白修饰变化，如H4K20me2和H4K16ac等，并证明这些变化与DNA损伤和炎症紧密相关。由于I/R损伤会导致视网膜神经血管退化，因此申请人提出“组蛋白修饰及其调控酶的异常是视网膜病变的关键”的工作假说。在前期基础上，本研究拟在I/R损伤大鼠模型中，利用相互作用蛋白质组学筛选H4K20me2的调控酶，并研究该酶如何通过H4K20me2来调控DNA损伤的分子机制；研究SIRT1如何通过H4K16ac来调控炎症发生的分子机制；在糖尿病大鼠模型中使用定量蛋白质组学研究糖尿病视网膜病变引发的组蛋白修饰变化。本项目将为阐明组蛋白修饰在视网膜损伤中的重要调控机制提供依据。

组蛋白修饰在疾病中的关键作用是表观遗传学的热门研究领域。蛋白质组学是研究组蛋白修饰的强有力工具。视网膜富含组蛋白，其损伤是造成视力损伤和失明的主要原因。在本课题中，我们使用定量蛋白质组学手段对糖尿病大鼠视网膜损伤中组蛋白修饰的变化进行了系统性研究。我们定量分析了135个不同的组蛋白修饰，发现相比研究较多的乙酰化，甲基化的变化更为显著。83个甲基化位点中48个位点的甲基化水平在糖尿病视网膜损伤中表现异常，这其中67%的甲基化位点在米诺环素治疗后恢复正常。我们的研究发现糖尿病视网膜损伤中H4K20me1/me2的显著上调与急性视网膜缺血再灌注（I/R）损伤中的发现保持一致，通过进一步的验证，我们发现DNA损伤和神经胶质激活与糖网的发生密切相关，而米诺环素能显著降低这两个通路的异常。该工作说明组蛋白甲基化是糖网病变和治疗中的关键因素，也证明米诺环素通过表观遗传调控发挥其关键治疗作用的机理。此外，我们还针对组蛋白制备和修饰的质谱分析极限进行了探索，发现50000个细胞就可用于基于定量蛋白质组学的组蛋白修饰系统性研究，该工作为其他组蛋白修饰研究者提供重要参考信息。