组蛋白H3.3表观遗传学的修饰调控昼夜节律的机理

Behavioral and physiological rhythms are driven by the endogenous circadian clocks. The circadian clocks, composed by transcription and translation feedback loops with a period close to 24 h, drive the rhythmic expression of some genes. Studies in recent years have demonstrated a role for epigenetic modifications in circadian control, but the specific regulatory mechanism is not clear. For the first time, we found that a single change of histone methylation modification lengthened Drosophila locomotor period, resulting from over-expression of Homo sapiens Histone H3.3K27M (H3.3 lysine27-to-methionine caused a strong reduction in H3.3K27 methylation levels). On this basis, we propose to investigate how H3.3K27M-mediated methylation modification regulates the central oscillator of circadian clock and rhythmic expression of transcriptomes in Drosophila. Besides, we propose to detect whether the mechanism is conservative in murine neuroblastoma cells.This will provide a new understanding of the association between circadian rhythm, epigenetic modification and cancer.

行为和生理的日常节律起源于内源性生物钟，其在分子水平上由固有的驱动24小时昼夜节律的转录和翻译反馈环路组成，调控一些基因节律性的转录。近年来，研究发现表观遗传学修饰参与昼夜节律的调控，但具体调控机理尚不明确。申请人首次发现了组蛋白甲基化修饰的改变导致果蝇昼夜节律周期的延长，并改变部分核心生物钟基因的转录水平，而造成这种变化的原因仅来源于在果蝇中过表达人组蛋白H3.3K27M（H3.3的27位赖氨酸被甲硫氨酸代替导致H3.3K27的甲基化水平被显著降低）。在此基础上，本项目拟以H3.3K27M介导甲基化修饰的变化为切入点，在果蝇中研究表观遗传学修饰调控生物钟的中央振荡器和输出通路的机理，并在小鼠胶质瘤细胞里验证该机理是否具有保守性，有望为昼夜节律、表观遗传学修饰及癌症三者之间的关联提供新的认识。

地球上几乎所有生物都存在昼夜节律，是由时钟控制基因（CCGs）组成的内源性分子时钟驱动的。CCGs的表达受表观遗传修饰的调控，但其潜在的机制尚未完全阐明。在本研究中，我们发现果蝇神经元和神经胶质细胞中过表达H3.3 K27M（组蛋白H3.3中第27位赖氨酸到蛋氨酸突变）足以延长果蝇活动节律的周期。过表达H3.3K27M在分子水平上降低了核心昼夜节律基因per和cyc的mRNA水平，使PER蛋白变得相位推迟了近4个小时。 同时，果蝇头部转录组数据显示，在CT 12时间点(也是每个表达的峰值时间点)，H3.3K27M过表达可导致257个差异表达基因显著上调，235个差异表达基因显著下调。除昼夜节律通路外，差异表达的节律基因主要富集在Toll和Imd信号通路中。此外，我们发现在人脑胶质瘤H251细胞里过表达H3.3K27M，Per1和Clock的 mRNA水平显著降低。本项目明确了组蛋白H3.3K27M 调控通过调节节律基因per的表达水平来调控果蝇生物钟，并通过节律通路与Toll和Imd信号通路来调控果蝇转录组节律性表达的机制，并且验证了该机制具有保守性。