粗糙脉孢菌中转录共抑制因子RCO-1调控DNA甲基化的机制研究

DNA methylation is a critical epigenetic mark within heterochromatin. Although both exhibit compact structure and silencing function, constitutive and facultative heterochromatins have fundamental difference in respect to biogenesis and biological functions. Neurospora crassa is an important model organism to study heterochromatin due to existence of DNA methylation. In our preliminary research, we identified a general transcriptional corepressor RCO-1. Knocking out rco-1 gene not only abolished DNA methylation of facultative heterochromatin that is triggered by cis- natural antisense RNA, but also canceled the DNA methylation of some constitutive heterochromatin featured A/T-rich repetitive sequences. To further our study, we plan to combine tools from biochemistry, molecular genetics and epigenetics to study the dynamic localization of RCO-1 to these two heterochromatins, as well as the interactions between RCO-1 and histone deacetylases, which may lead to the role of RCO-1 in the molecular processes to form these two heterochromatins. In summary, this project will not only extend our knowledge of how facultative heterochromatin is formed, but also re-evaluate the static status of constitutive heterochromatin. Finally, combining these knowledges might open a door for us to understand the crosstalk between constitutive and facultative heterochromatin.

DNA甲基化是异染色质构成的重要表观遗传标记。虽然组成型和兼性异染色质都呈现出结构凝缩、转录沉默的状态，但两者在分子机制和功能上存在根本性的不同。粗糙脉胞菌是研究异染色质和DNA甲基化的重要模式生物。我们在遗传筛选中发现，转录共抑制因子RCO-1不但参与了由顺式天然反义RNA介导的兼性异染色质内DNA甲基化的形成，还参与了部分由富含A/T的突变重复序列介导的组成型异染色质内DNA甲基化的形成。在下一步工作中，我们拟结合生物化学、分子遗传学、表观遗传学的研究手段，围绕RCO-1在兼性和组成型异染色质中的定位及与组蛋白去乙酰化酶的互作关系，探讨RCO-1介导两种异染色质内DNA甲基化形成的分子机制。其研究结果不但可以拓展我们对于兼性异染色质分子机制的认识、帮助我们重新理解组成型异染色质的静态性质，并为进一步研究两种染色质可能存在的互作关系开拓新方向。

背景：组成型异染色质的扩散和维持是保持基因组稳定性的关键。粗糙脉胞菌的组成型异染色质（也成为RIP遗迹区）因具备组蛋白H3第9位赖氨酸甲基化（H3K9me）和DNA甲基化，从而成为研究异染色质的重要模式生物。本项目以转录共抑制因子RCO-1为起点，研究内容主要集中在组成型异染色质的扩散和维持的分子机理。.研究内容及结果：.1）.依赖DNA甲基化的组成型异染色质维持的分子机理：在粗糙脉孢菌中，过往研究认为DNA甲基化处于组成型异染色质形成的末端，其缺失不会影响组成型异染色质的形成和扩散。但在研究中我们意外发现，有17个组成型异染色质区（也称RIP遗迹区）的形成是依赖于DNA甲基化的。结合分子生物学、遗传筛选和深度测序，我们揭示出一个工作模型，在这些RIP区DNA甲基化可被CBF-1识别，从而招募HDA-2/RCO-1/RCM-1复合体引起附近区域的去乙酰化，进而导致H3K9me的形成和扩散。.2）.组成型染色质边界向外扩散的分子机理：异染色质需要被严格限制在一定范围内，以避免过度的异染色质扩散影响附近基因的表达。在粗糙脉孢菌中，jmjC结构域蛋白DMM-1是形成组成型异染色质边界的蛋白，其缺失可引起异染色质过度扩散引起周边基因的失活，但这一异常扩散的分子机理尚不清楚。结合分子遗传学和深度测序我们发现，在DMM-1缺失时，H3K56的去乙酰化及H2A.Z的富集是促进异染色质异常扩散的主要原因。.科学意义：组成型异染色质由于在基因表达调控和基因组稳定性方面的重要作用，其维持和扩散的分子机理一直是表观遗传学中重要的课题。本项目针对粗糙脉孢菌中RIP遗迹区异染色质的这两个特性开展研究，阐明了参与组成型染色质的维持和扩散的表观遗传标记，以及参与这些过程中相关的蛋白质，为理解异染色质的分子生物学特性提供了理论基础。