组蛋白的O-GlcNAc糖基化修饰在DNA复制中的作用及机制研究

Histone post-translational modifications (PTMs) are critical for various biological processes and cellular functions, including gene expression and silencing, as well as DNA damage and repair. Several PTMs, such as H3K56ac and H4K20me1, are involved in the control of DNA replication. Recently, GlcNAcylation has been identified at eight sites on histones. The upregulation of protein GlcNAcylation led to delayed S-phase progression and impaired cell proliferation. However, the role of histone GlcNAcylation in DNA replication still remains unexplored. This project aims to (1) characterize the function of histone GlcNAcylation in DNA replication, (2) dissect the interplay between histone GlcNAcylation and other replication-associated PTMs, and (3) illustrate the novel mechanism coordinating DNA replication by histone GlcNAcylation. This work will advance our understanding of epigenetic regulation, and provide experimental evidence along with potential means to restrict uncontrolled cell proliferation by targeting DNA replication.

组蛋白的翻译后修饰参与调控多种细胞生命活动和基本功能，如基因的表达和沉默、DNA 的损伤和修复等。其中，多个位点的表观遗传修饰，如 H3K56ac 和 H4K20me1，可以在 DNA 复制过程中发挥关键作用。近期研究发现组蛋白也可以发生 O-GlcNAc 糖基化修饰。目前，共计鉴定了8个糖基化位点。上调蛋白质的糖基化水平，可以减缓 S 期进程，并抑制细胞的增殖。然而，组蛋白的 O-GlcNAc 糖基化是否可以调控 DNA 的复制过程却仍然未知。本项目拟研究：1.组蛋白 O-GlcNAc 糖基化在 DNA 复制中的功能。2. 糖基化与其它复制相关修饰间的关系。3.组蛋白 O-GlcNAc 糖基化调控 DNA 复制的分子机制。本研究不仅有助于进一步理解染色质表观遗传调控的功能，还将为通过靶向 DNA 复制，控制细胞的过度增殖提供新的研究方向和理论基础。

在细胞分裂的过程中，如何确保基因组DNA被准确、高效地复制 (replication) 一次，是保障个体发育，避免疾病发生的核心要务之一。已知真核细胞在复制过程中会认证 (license) 过量的复制原点 (replication origin)，其中只有部分会得以激活，并进一步形成双向行驶的复制叉 (replication fork)，驱动 DNA 复制的进行。迄今，我们对高等动物细胞的复制起始位点是如何被选择和激活的这一根本科学问题仍然缺少答案。我们的研究结果显示，H4S47 的 O-GlcNAc 糖基化修饰 (H4S47og) 在复制起始位点激活的过程中发挥着至关重要的作用。H4S47og 可以通过调节 Dbf4-Cdc7 激酶 (DDK) 在染色质上的招募，促进DNA解旋酶 MCM 复合物的激活，从而帮助细胞打开 DNA 双链结构，启动 DNA 的复制程序。H4S47 的突变 (H4S47A) 可以直接破坏 Dbf4-Cdc7 激酶以及 MCM2 与组蛋白间的相互作用，限制 DNA 双链的解旋，最终抑制复制的起始 (initiation)。综合以上，H4S47og 通过指引 DDK 在染色质上的招募，促进解旋酶 MCM 复合物与核小体的结合，最终，通过激活 MCM 复合物的 DNA 解旋酶活性来完成复制起始。这一研究，不但可以帮助我们理解复制起始位点是如何被选择性激活的，还将为解析 DNA 复制的表观遗传调控开辟新的研究视角。