基因内DNA甲基化调控鳞翅目昆虫基因转录及卵巢发育的机制研究

DNA methylation， including promoter and intragenic DNA methylation, is an important epigenetic regulation mechanism of gene transcription. In insects, the DNA methylation occurring in gene body regions enhances gene expression. However, this regulatory mechanism and its function on insect development have not been studied. We found that the intragenic DNA methylation plays an important role in the ovarian development of Bombxy mori. DNA methyltransferase expressed highly in the ovary, and enhanced the binding of methyl read protein MBD to the intragenic DNA methyls. This project will focus on Lepidoptera model insect B. mori and agricultural pests Spodoptera litura and Helicoverpa armigera to 1) study the regulatory mechanism of methyltransferase (BmDnmt1) expression in B. mori ovary; 2) identify the complex of MBD and histone acetyltransferase binding with intragenic DNA methyls in B. mori; 3) reveal the regulatory mechanism of gene transcription by the MBD complex in B. mori ; 4) elucidate intragenic DNA methylation-regulated functional genes related to ovarian development of Lepidoptera insects. The study will clarify the mechanism of gene transcription regulated by intragenic DNA methylation, and provide the evidence for molecular mechanism in the regulation of DNA methylation to insect ovarian development and a potential new strategy for insect pest controlling.

DNA甲基化是一种重要的基因表达的表观遗传学调控机制，包括启动子和基因内DNA甲基化。昆虫以基因内DNA甲基化促进基因表达为主，但其调控基因转录及影响昆虫发育的机制仍未见有报道。我们发现基因内DNA甲基化调控了家蚕卵巢的发育；DNA甲基转移酶的表达促使甲基识别蛋白MBD与基因内甲基化的DNA结合。本项目将从鳞翅目模式昆虫家蚕出发，结合农业害虫斜纹夜蛾和棉铃虫，从4个方面开展研究：（1）家蚕DNA甲基转移酶BmDnmt1在卵巢表达调控机制的研究；（2）结合于家蚕基因内DNA甲基的BmMBD-乙酰转移酶复合体的确定；（3）结合于家蚕基因内DNA甲基的MBD复合体促进基因转录的机制研究；（4）基因内DNA甲基化调控鳞翅目昆虫卵巢发育的功能基因鉴定。研究将明确昆虫基因内DNA甲基化调控基因转录的分子机制，为阐明DNA甲基化调控鳞翅目昆虫卵巢发育的分子机理提供证据，为害虫防治提供新的策略。

DNA甲基化作为一种普遍存在于真核生物中重要的表观遗传学修饰，在调控基因表达、发育和环境适应中发挥了重要的作用。然而，含低甲基化率的昆虫的发育是否受DNA甲基化调控一度被怀疑，DNA甲基化调控基因表达及作用发育的机制尚未见有报道。本项目在获得DNA甲基化调控鳞翅目模式昆虫家蚕的卵巢发育的结果基础上，研究鳞翅目昆虫DNA甲基化调控基因转录和生殖发育的分子机理，揭示这一表观遗传学调控机制在昆虫中的作用，为发现和鉴定出可用于害虫绿色防治靶标分子提供理论依据。研究获得了以下结果：1）DNA甲基化修饰主要在家蚕卵巢和早期胚胎的基因体内，促进基因的转录；2）基因内DNA甲基化招募mCpG结合蛋白MBD2/3，MBD2/3与乙酰胆碱酶Tip60结合后，促进H3K27乙酰化和基因转录；3）抑制DNA甲基化显著阻碍家蚕的卵巢和早期胚胎的发育，导致翅畸形而无法交配，从而严重影响家蚕的繁殖；4）DNA甲基化通过修饰组织特异转录因子ZnF615的基因体，促进营养代谢相关基因表达，保证了卵巢和早期胚胎正常发育；5）较低DNA甲基化率的翅中，DNA甲基化通过抑制转录因子ara启动子活性，从而抑制其下游几丁质酶的表达，保证了翅的正常发育；6）卵巢和胚胎特异转录因子C/EBPg与性腺特异转录因子YBP互作，调控DNA甲基转移酶在卵巢和胚胎中有较高的表达；7）MBD2/3 和 Tip60互作在多种昆虫中存在，DNA甲基化调控鳞翅目昆虫的繁殖。本项目发现了昆虫基因内DNA甲基化促进基因表达的机制，阐释了鳞翅目昆虫卵巢和早期胚胎发育的基因体内DNA甲基化调控机制，以及翅正常发育的启动子甲基化调控机制。研究结果丰富了昆虫表观遗传学理论，为防治鳞翅目害虫提供了靶标分子。