组蛋白乙酰转移酶在抗衰老中的作用机制研究

Histone acetylation is one of the major factors that regulate chromatin structure. It plays important role in gene regulation, DNA damage response etc. It participates in heterochromatin assembly, cell cycle regulation and cellular differentiation etc. The histone deacetylation families, like Sirtuins, were considered to be important factors for aging regulation. However, there were no reports about histone acetyltransferase, who catalyze histone acetylation, would regulate aging. Primarily, we found two specific inhibitors of HATs extend the replicative lifespan of yeast and human cell lines. Herein, we propose that HATs are the important factors of aging regulation and inhibit / down regulate HATs will extend replicative lifespan of yeast and human cell lines. In this project, we will employ self-developed microfluidic chip for yeast aging, use budding yeast as the main model organism, and construct the quantitative down regulated strains. We will study the role of HATs in aging and its molecular mechanisms through -omics analysis, cellular and molecular technologies and systems biology approaches etc. We also will construct the mathematical models, develop the theory of aging regulation of HATs. This study will identify new target for anti-aging drug development.

组蛋白乙酰化是调控染色体结构的主要方式之一，其在基因表达调控、DNA损伤修复、DNA复制等过程发挥重要作用，参与异染色质的组装、细胞周期控制、细胞分化等生物学过程。组蛋白去乙酰化酶家族被认为是调控细胞衰老的重要蛋白。然而，催化组蛋白乙酰化的组蛋白乙酰转移酶（HATs）和衰老之间的关系未见报道。前期工作中我们发现组蛋白乙酰转移酶的两个特异性抑制剂显著延长酵母细胞和人衰老细胞系的复制寿命。因此，我们提出“组蛋白乙酰转移酶是调控衰老过程的重要因子，敲降组蛋白乙酰转移酶可以延长细胞复制寿命”的科学假说。本项目拟采用自主研发的用于衰老研究的微流芯片技术，以芽殖酵母为主要实验模型，建立定量敲降菌株。应用组学分析、细胞和分子生物学方法、系统生物学方法等技术，研究组蛋白乙酰转移酶在衰老过程中的作用，及其上下游调控的分子机制，建立可靠的数学模型，完善乙酰化调控衰老过程的理论，为抗衰老药物的研发提供新的靶点。

组蛋白乙酰化是调控染色体结构的主要方式之一，其在基因表达调控、DNA损伤修复、DNA复制等过程发挥重要作用，参与异染色质的组装、细胞周期控制、细胞分化等生物学过程。衰老过程中可表现出组蛋白表达水平改变和组蛋白乙酰化水平失衡。故调节组蛋白乙酰化水平的两类关键酶组蛋白乙酰转移酶(histone acetyl transferase，HATs) 和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)被认为是调控细胞衰老的重要蛋白。其中HATs和衰老之间的关系未见研究报道。本研究采用自主研发的衰老研究微流芯片技术（岛型芯片和U型芯片），以芽殖酵母为主要实验模型，建立定量敲降菌株；同时应用人胚肺成纤维细胞制备衰老研究模型。应用组学分析、细胞和分子生物学方法、系统生物学方法等技术，研究组蛋白乙酰转移酶在衰老过程中的作用，及其上下游调控的分子机制，建立可靠的数学模型，完善乙酰化调控衰老过程的理论，最终揭示组蛋白乙酰化转移酶对细胞寿命的调控作用机制。研究结果提示系列HAT抑制剂（没食子儿茶素没食子酸酯EGCG、漆树酸anacardic acid（AA）、大蒜素garcinol和姜黄素curcumin）或Gcn5和Ngg1突变杂合体可以显著延长酵母寿命（30%~50%），EGCG和AA可以延长衰老细胞系的分裂次数。类似的，在人类细胞系（2BS和WI-38）中，HAT抑制剂和选择性RNAi介导的Gcn5或Ngg1敲降亦可降低衰老标记物SA-β-Gal的水平并促进衰老细胞的增殖。此外，研究结果发现寿命延长与组蛋白H3而不是H4的乙酰化有关。其具体机制为H3K9和H3K18的乙酰化修饰。研究结果还发现，热量限制延长寿命的能力是Gcn5-，Ngg1-，H3K9-和H3K18-依赖性的。转录组分析结果显示，这些变化与热休克相关，与衰老的酵母和蠕虫的基因表达谱呈负相关。通过生物信息学分析，我们还发现下游受HAT调控的影响因子包括MSN2/4，RTG3，MET32/4，GCN4等；HAT抑制可激活人细胞系中的亚端粒基因。综上，抑制HAT GCN5可能是延长寿命的有效手段，本研究也为抗衰老以及改善衰老相关疾病的药物研发和治疗提供了新的靶点和视野。