SET-18催化组蛋白H3K36me2修饰促进秀丽线虫衰老的分子机制研究

Histone methylation plays key roles in aging by gene regulation. It has been proven that trimethylation of Lys 36 on histone H3 (H3K36me3) prevents aging by gene inactivation. Recently, we report that dimethylation of Lys 36 on histone H3 (H3K36me2) is crucial for promoting aging, and identify a Caenorhabditis elegans SET domain protein SET-18 as the enzyme for catalyzing this modification. Evidence shows that SET-18 prefers to repress gene expression. In this proposed study, we will investigate 1) the target anti-aging genes, which expressions are inhibited by SET-18-catalyzed H3K36me2 modification. 2) The function of SET-18 in repressing the promoters of identified anti-aging genes by H3K36me2 modification. 3) The effect of SET-18 in aging control by inactivating anti-aging gene expressions. The completion of the proposed study will unveil a novel mechanism by which epigenetic modifications control aging.

组蛋白甲基化修饰通过调控基因表达决定衰老进程快慢。已有报道组蛋白H3 赖氨酸K36三甲基化me3通过抑制基因表达延缓衰老。而本项目组刚发现一种新的促进衰老的甲基化类型H3K36me2，以及秀丽线虫中催化该修饰的酶SET-18。前期结果提示SET-18可能抑制基因表达。因此本项目将详细阐述1）SET-18通过H3K36me2修饰抑制的抗衰老靶基因；2）SET-18通过H3K36me2修饰对以上抗衰老靶基因启动子活性的抑制；3）SET-18对以上抗衰老靶基因的抑制作用对秀丽线虫衰老的影响。该项目的完成将为表观遗传修饰调控衰老的分子机制增添新内容。

表观遗传修饰是控制衰老和抗衰老相关基因时空性表达从而影响衰老进程的重要机制之一，其中组蛋白甲基化修饰一直备受关注。目前为止，已经发现的调控衰老的组蛋白甲基化修饰都是组蛋白H3赖氨酸的三甲基化（me3）修饰，位点包括：K4、K9、K27和 K36。而本项目组于2018年报道了一种新的促进衰老的甲基化修饰类型，组蛋白H3K36位的二甲基化修饰（H3K36me2），以及催化这一修饰的秀丽线虫甲基转移酶SET-18。已有证据表明，在不同的生物事件中H3K36me2修饰对于基因表达有着激活和抑制两种不同的调控作用。那么SET-18通过H3K36me2修饰调控的靶基因是什么？是激活还是抑制了靶基因表达？是否通过调控以上靶基因表达促进了秀丽线虫衰老？为了解决以上问题，本项目组对SET-18促进秀丽线虫衰老的分子机制进行了研究。1）我们首先发现成虫第一和第三天（day1和day3时期）是SET-18调控秀丽线虫衰老的两个重要时期；在这两个时期SET-18具有上调ROS水平、降低NAD+水平、以及促进线粒体形态发生片段化的作用。2）接下来通过RNA-seq分析，发现NAD+信号通路相关基因是SET-18在day1时期调控秀丽线虫衰老的关键靶基因。3）针对筛选到的NAD+信号通路中的关键基因NAD水解酶TIR-1进行RNAi处理，发现SET-18通过调控TIR-1表达促进秀丽线虫衰老并降低其氧化压力抗性。4）最后通过H3K36me2 ChIP-seq分析以及荧光素酶双报告检测，发现SET-18通过H3K36me2修饰调控tir-1d/h的启动子活性。以上研究结果表明，SET-18 通过H3K36me2修饰调控NAD水解酶TIR-1表达从而促进秀丽线虫衰老。该研究为进一步了解人类组蛋白 H3K36me2转移酶对衰老相关疾病的调控提供了科学积累，对于衰老相关疾病的治疗提供一定的理论基础。