表观遗传调节因子PcG对果蝇昼夜节律的调控机理

Circadian rhythm is an important physiological feature of living organisms. Disturbance of circadian rhythm has significant impact for insects. Although evidence showed that epigenetic regulation plays an important role in this process, systematic studies on mechanisms of epigenetic regulation in circadian rhythm was lacking, especially there is a gap of knowledge on the chromatin state of different groups of clock neurons. Our primary data suggested that PcG was involved in the regulation of circadian rhythm. We proposed here a study of the polycomb group complex binding state of different groups of clock neurons through a tissue specific Dam-ID strategy in Drosophila melanogaster. At the same time, we’ll start from several PcG related factors to study the function of PcG complex on circadian rhythm regulation. This study will provide us information about the gene expression state of different group of clock neurons. It will also provide evidences for the mechanism of PcG regulation of circadian rhythm that will be helpful to understand the function of PcG regulation in physiological processes. This study will lay a foundation for understanding the mechanisms of epigenetic regulation of circadian rhythm.

从低等到高等动物，昼夜节律是生物体普遍存在的一种生理活动，节律紊乱对昆虫生命活动具有严重的影响。一些证据表明，表观遗传机制在昼夜节律调节中有重要作用，但是对不同钟神经元的基因组水平的染色质状态缺乏系统性研究。我们近期的初步研究发现，多梳蛋白复合体（PcG）参与昼夜节律的调控（见下面前期工作积累）。本项目在前期工作基础上，拟从多梳蛋白复合体入手，运用果蝇中已经建立的组织特异性的DAM-ID系统来鉴定不同类群的钟神经元的染色质状态，进而研究钟神经元相关的多梳蛋白复合体在昼夜节律调控中的作用。该项目的实施和完成将有助于了解不同类型的钟神经元的基因表达谱，揭示多梳蛋白复合体在节律调控中的作用，阐明多梳蛋白复合体这一类在发育过程中的重要调节因子是如何调控成体生理过程的。这将为表观遗传因子参与生物节律的调节提供重要的理论基础。

表观遗传调控是基因表达调控的重要一环，生物节律和与之密切相关的睡眠是动物界普遍存在的现象。本项目以节律和睡眠的表观遗传调控机制为主要研究内容，从多梳蛋白复合体入手，运用果蝇中已经建立的组织特异性的DAM-ID系统解析了不同类群的钟神经元的染色质状态，为研究钟神经元相关的多梳蛋白复合体在昼夜节律调控中的作用奠定基础；本项目系统地对stuxnet、ESC这类PcG蛋白复合体相关因子在睡眠调控中的作用进行了研究，发现Stx-Pc环路在转录水平调控脑内重要神经递质章鱼胺的受体Oct2R，并且，章鱼胺可以通过Oct1R下调Stx，故章鱼胺发挥作用的同时可以引起Oct2R转录水平的下调，从而缓冲了章鱼胺引起的睡眠减少，稳态丧失的效应对动物体的不利影响。这一研究是对于果蝇睡眠稳态的调控中表观遗传机制的首例报道。 Extra sex comb (ESC)通过对多个热激蛋白（Hsp）的调控来缓冲睡眠相关的压力对生物体的不利影响，ESC不仅对温度引起的睡眠变化有调节作用，其对睡眠剥夺引起的寿命减少也有调控作用。研究温度引起的睡眠变化的调节机制对于深入了解全球变暖对昆虫的影响具有重要意义。这一研究发现了昆虫在温度变化条件下的生理性应对新机制，具有一定开创性。本项目的执行初步了解了不同类型的钟神经元的中与多梳蛋白复合体相关的染色质状态，为揭示表观遗传因子在节律调控中的作用奠定基础。本项目的执行阐明了多梳蛋白复合体这一类在发育过程中的重要调节因子是如何调控成体生理过程的，这将为表观遗传因子参与生物节律的调节提供重要的理论基础。