DMAD介导的DNA 6mA修饰在果蝇早期胚胎发育中的功能研究

DNA methylation, an epigenetic mechanism, regulates gene expression and a variety of cellular processes. Several methylated bases, including 5-methylcytosine (5mC), N6-methyladenine (6mA) and N4-methylcytosine (4mC), have been found in genomic DNA from diverse species. In our previous study, we found that 6mA is present in the Drosophila DNA. Moreover, we showed that the dynamic change of 6mA modification during embryonic development may involve an active demethylation event. The DMAD expression must be under tight control during embryonic development. Thus, our previous findings suggest that 6mA modification mediated by DMAD possibly contributes to early embryonic development. In this study, we focus on the 6mA methylome of Drosophila early embryos at multiple early embryonic stages. We characterize the epigenetic landscapes of 6mA modification in early Drosophila embryos, and answer an intriguing issue of whether and how 6mA modification contributes to gene expression in Maternal-zygotic Transition. We will uncover biological function and regulatory mechanism of 6mA DNA modification mediated by DMAD in Drosophila early embryogenesis. This research will also evidently expand our knowledge of potential role of 6mA in higher eukaryotes.

DNA甲基化作为重要表观遗传机制调控基因的表达，其以多种修饰方式（5mC,6mA和4mC等）广泛存在于多种生物中，影响一系列的生物学过程。在之前研究中我们首次证明果蝇基因组DNA中存在6mA修饰，并发现哺乳动物TET蛋白在果蝇中唯一同源物DMAD为6mA去甲基化酶，果蝇的早期胚胎基因组中富含6mA并可能存在6mA的主动去甲基化过程，且DMAD在早期胚胎中具有调控6mA去甲基化的活性且其表达量需精确调控。这一系列证据提示6mA及DMAD可能在早期胚胎发生发育过程中扮演重要角色。在此基础上本研究将以果蝇早期胚胎发育阶段中的6mA修饰为研究内容，绘制果蝇早期胚胎发育过程中的6mA动态图谱，详细分析6mA是如何改变转录抑制或激活状态来推动早期胚胎发育由母型向合子型转变，揭示6mA在果蝇早期胚胎发育中所发挥的具体功能及调控机制，同时也将进一步加深我们对6mA在高等真核生物中调控功能的理解。

DNA甲基化作为重要表观遗传机制调控基因的表达，其以多种修饰方式（5mC,6mA和4mC等）广泛存在于多种生物中，影响一系列的生物学过程。在之前研究中我们首次证明果蝇基因组DNA中存在6mA修饰，并发现哺乳动物TET蛋白在果蝇中唯一同源物DMAD为6mA去甲基化酶，果蝇的早期胚胎基因组中富含6mA并可能存在6mA的主动去甲基化过程，且DMAD在早期胚胎中具有调控6mA去甲基化的活性且其表达量需精确调控。这一系列证据提示6mA及DMAD可能在早期胚胎发生发育过程中扮演重要角色。.本项目研究中，我们首先利用MeDIP-seq技术分析了6mA修饰在果蝇早期胚胎基因组中的分布位置及动态变化，发现6mA修饰主要存在于基因间区及内含子中，同时在启动子区及转录终止位点也有一定的倾向分布，这表明在早期胚胎中6mA修饰与基因表达可能存在密切的关系；进一步分析发现了几个6mA分布模块（motif），其中主要模块与Forkhead家族蛋白模块高度吻合。以此为线索，结合Forkhead家族蛋白基因在早期胚胎表达谱、6mA探针富集早期胚胎核提取物的蛋白质谱检测、EMSA及SPR等数据综合分析确定了Forkhead家族的转录因子Jumu更倾向于结合6mA修饰的DNA，为早期胚胎中6mA的解码蛋白。遗传学分析表明Jumu为果蝇早期胚胎发育的重要母源因子，母源缺失Jumu的早期胚胎中大量基因异常表达，胚胎发育异常；同时发现，Zelda编码基因是Jumu的直接调控的基因之一，其表达量在就jumu母源缺失后表达为上调，此外还发现大部分Jumu调控的基因也是Zelda的靶基因；研究人员还发现，母源过表达Zelda与jumu母源缺失胚胎具有相似的表型，同时在jumu母源缺失突变的胚胎中部分敲低zelda后能够显著降低胚胎的致死率。.总的来说，该研究揭示了在早期胚胎中母源转录因子Jumu主要通过识别6mA标记的zelda基因负调控zelda的转录表达，进而控制MZT过程的分子调控机制。这项研究是目前对高等真核生物6mA的阅读器蛋白最全面系统的研究，深入揭示了高等真核生物中6mA修饰的表观调控机制及生物学功能。