干细胞的干性维持与分化过程中表观遗传修饰“编码” 的功能与调控机制研究

Chromatin modifications, including histone and DNA modifications, were shown to be critical in regulating chromatin structure and gene transcription. The change in these modifications was also associated with a number of cellular events, such as cell differentiation and diseases. However, the exact role of the change in individual chromatin modification, as well the combination of these different modifications, has not been systematically studied in these cellular processes. Whether this is a so-called “epigenetic codes” is also under open debated over the past years. In this work, we aim to identify some key “histone codes” for the maintenance of the property and differentiationof stem cells, as well as incancerprogression using our recently established stemcells and chimeric mice system expressingthe mutants of evolutionary conserved histone H3 and H4.

过去20多年来的研究表明表观遗传修饰（包括组蛋白和DNA的修饰等）参与染色质结构的调控和基因的转录表达。已有的证据也显示表观遗传修饰的变化还与细胞发育和疾病的发生发展密切相关，但不同的表观遗传修饰及其组合在这些生命过程中的作用的还非常缺乏系统研究，是否存在一种所谓的“表观遗传修饰编码”也没有一个明确的答案。本课题拟在未来两年的时间里利用我们已有的表观遗传和干细胞的前期研究基础以及我们研究组已经建立的小鼠胚胎干细胞定向分化体系，系统地对进化高度保守的组蛋白H3和H4的不同修饰位点进行突变（模拟这些修饰水平的下调）并在干细胞和分化的细胞中表达，研究不同表观遗传修饰改变对干细胞定向分化、组织发育以及相关变化在肿瘤发生发展中的影响与作用机制，期望找到一批调控干细胞干性维持、定向分化和导致肿瘤发生的关键“表观遗传编码”或网络。

在本项目研究过程中，组蛋白保守位点如H3.3K27M、H3.3G34V, H3.3K36M等在肿瘤组织中的“driver mutation”突变也逐步被发现并报道，然而其围绕组蛋白修饰密码的详尽机制以及组织特异性问题依然未知。因此，我们利用胚胎干细胞，从多能性阶段即施以突变体介入，在干细胞“干性”维持下重点研究表观遗传改变对遗传稳定的影响，经过筛选发现多个保守位点的共价修饰在基因组稳定性维持方面发挥了重要功能，相比之下这种保护机制在干细胞中的作用尤其显著。因此，我们认为具有多向分化潜能的细胞对表观遗传密码尤其敏感，一旦其中关键位点的修饰水平被改变，即可迅速积累更多的遗传突变并很容易的传递给其子代分化细胞。通过本项目的研究，一方面有助于深入理解组蛋白突变驱动的肿瘤发生机制，为相关肿瘤的精准治疗提供依据；另一方面为进一步认识表观遗传修饰密码与遗传稳定的相互关系这一基本生命科学问题提供了全新的理论依据。