组蛋白及其表观修饰在链状亚历山大藻爆发性生长过程中的功能解析

Modification of histones is an important epigenetic mechanism, which plays important roles in regulations of gene expression. The contents of histones of dinoflagellates were very low, and the early researches believed that they were not contained within dino cells. Based on our primary studies, all of the core histones, linker histone H1, variants of the above histones and histone-like protein were existing in Alexandrium catenella. The present project aims to research on hsitones and the effect and function of their epigenetic modification during the process of blooming growth of Alexandrium catenella further. Firstly, the histone genes together with their variants will be cloned and analyzed. All of the main histone types will be selected, and the gene transcription and protein expression under different growth conditions will be studies. In addition, the methylation, acetylation and phosphylation modification of histones under related conditions will be analyzed and integrated, together with the gene regulation influenced by modified histones, to elucidate the modulation mechanism of histone and its epigenetic modification to the cell growth. Dinoflagellate which did not host traditional nucleosome structure will be selected as the material, and the biological function of histones will be studied. Moreover, the mechanism of blooming growth of Alexandrium catenella will be elucidated from epigenetic side, which is significantly novelty. The study will theoretically contribute to elucidating the epigenetic modification at the level of histone of Alexandrium catenella, to provide evidence for the blooming growth of red tide organism. The related results have the potential applicability in the forecast of red tide.

组蛋白修饰是重要的表观遗传机制，在基因表达调控方面发挥了重要作用。甲藻组蛋白含量很低，且早期的研究认为其缺乏组蛋白，我们前期的研究发现在链状亚历山大藻中存在所有四种核心组蛋白、H1组蛋白、及以上组蛋白的多种变体和类组蛋白。本课题拟首先克隆组蛋白基因及其变体基因，然后选取所有主要组蛋白基因类型，进行其在不同生长条件下的基因和蛋白表达分析，结合相应条件下组蛋白甲基化、乙酰化和磷酸化修饰状况，及不同生长状态下修饰组蛋白的基因调控效应，深入解析组蛋白及其表观修饰在链状亚历山大藻爆发性生长过程中的作用和功能。选取非常特殊的不具有普遍存在核小体结构的甲藻，深入、系统地探讨组蛋白存在的生物学功能；并从表观遗传学角度阐释链状亚历山大藻爆发性生长的机理，具有显著的创新性。本课题在理论上将阐明链状亚历山大藻组蛋白水平的表观修饰及其功能，为阐释赤潮生物爆发性生长提供证据，相关成果具有赤潮预报预警的潜在应用价值。

表观遗传修饰是当前生命科学研究的热点之一。本课题拟通过组蛋白基因克隆、基因转录和蛋白表达分析，结合组蛋白甲基化、乙酰化和磷酸化修饰状况，及不同生长状态下修饰组蛋白的基因调控效应，深入解析组蛋白及其表观修饰在链状亚历山大藻爆发性生长过程中的作用。. 研究发现该藻表达全部四种核心组蛋白，并存在多种组蛋白变体，在进化上具有复杂的起源。不同组蛋白在不同生长阶段、对不同外界营养盐条件的响应机制不同，核心组蛋白属于不依赖于复制的组蛋白。H3、H4蛋白在不同生长时期未检测到显著差异的表达，而在富营养条件下H4蛋白显著上调。 .该藻存在H3甲基化、乙酰化以及磷酸化修饰，且各甲基化修饰位点均发生有单、双和三甲基化不同程度修饰，各修饰所占比例大致在40~80%范围波动，表明组蛋白不同位点的不同程度修饰对链状亚历山大快速生长有着不同的作用。. 多种修饰位点的不同程度的修饰在细胞不同生长时期变化幅度不显著，但也存在一些位点修饰从延迟期进入对数期修饰水平显著提高。. 在高氮、高磷高锰以及高光的条件下，H3K4me3修饰程度显著高于其他条件，低氮中H3Kme3最低，说明该修饰参与到了链状亚历山大藻营养生长调控中。.利用CHIP-seq技术得到H3K4me3结合的DNA序列，与甲藻Symbiodinium kawagutii基因组进行比对，发现在高氮、低氮、高光及正常培养条件下组蛋白H3K4me3的修饰均存在相应的特殊调控，修饰基因大部分是转录调控因子及酶催化相关基因，调控其他基因表达或催化某些生命活动；大多定位于细胞核和细胞膜及内腔发挥功能。.对H3K4me3修饰关联钙调蛋白进行深入解析，筛选得到4个与钙调蛋白相互作用蛋白，四个基因在高磷高锰诱导条件下均显著上调表达，钙调蛋白信号通路对爆发性生长调控具有重要作用。.本研究首次探究甲藻中组蛋白翻译后修饰，为链状亚历山大藻爆发生长过程中表观遗传调控机制的研究提供了新的证据。