运用蛋白质组学方法探讨组蛋白表观遗传学对细胞重编程调控的新机制

表观遗传学可以调节干细胞的基因表达类型和体细胞定向分化。我们的总体目标是探讨组蛋白表观遗传学对细胞重编程调控的新机制，以调控诱导多能干细胞和不同体细胞的生长。将通过诱导多能干细胞这一重组动态的甲基化调控体系来研究泛素E3连接酶调控作用。阐明组蛋白甲基化如何通过泛素E3连接酶适时开启和关闭基因的表达。揭示泛素化降解通过对组蛋白修饰（如组蛋白H3K4, K9, K27位点的甲基化）而调控多能干细胞关键表型的规律。本提议创新点在于，利用先进的蛋白质组质谱分析平台，从诱导多潜能干细胞这一前沿学科出发，探讨表观遗传控制对多能干细胞重组过程的调控机制，我们是第一个证实泛素化-依赖的蛋白降解也可以调节组蛋白甲基化。我们已找到控制组蛋白甲基化的关键，也建立了完善的高通量蛋白质鉴定分析及其功能性修饰探索平台。研究和发现甲基化机制以及各种信号调控通路对诱导多能干细胞的影响意义重大，对人类健康具有深远的影响。

组蛋白甲基化是表观遗传的关键调控方式之一。在本基金的支持下，我们通过基于质谱分析的蛋白质组学方法成功分离到WDR5和RBBP5的蛋白复合体，并鉴定出许多蛋白质分子，这些蛋白质分子可能参与了WDR5/RBBP5依赖性的表观遗传的转录调控过程。并且这些蛋白还可能是CUL4-DDB1-WDR5或CUL4-DDB1-RBBP5的潜在底物，以此来调控组蛋白H3第四位赖氨酸（H3K4）的甲基化。我们发现的这些与WDR5或RBBP5结合的蛋白包括， MLL1-4, ASH2, 含有SET1结构域的甲基转移酶，和许多非MLL蛋白，如PTIP, YEATS2及 CGBP。PTIP 参与募集MLL复合体到转录起始位点，其在ATM/ATR介导的DNA损伤检验点通路中起重要作用。PTIP缺失，可以引起细胞对DNA复制过程中或者γ-射线引起的DNA双链断裂高度敏感。在人类细胞中，CGBP结合到许多启动子的低甲基化 CpG 岛，以募集含有WDR5或RBBP5的MLL甲基转移酶复合体，来激活这些非甲基化CpG岛的基因表达。我们还发现，WDR5，RBBP5和CGBP调控由于Geminin或者CDT2缺失引起的DNA过度复制。关于 YEATS2的生物学功能目前尚不清楚，我们发现它是一个WDR5的新的结合蛋白，属于 YEATS蛋白家族，可能是参与染色质重塑的蛋白质分子。 我们分离到的一些与WDR5结合的蛋白也与CUL4-DDB1（CRL4）相互结合，可能是CRL4泛素化E3连接酶的潜在底物。我们还发现LSD1，一个特异性移除甲基化H3K4的甲基基团的去甲基化酶，对于胚胎干细胞和许多多潜能肿瘤干细胞如胚胎癌，畸胎瘤，精原细胞瘤等的生长是必需的。 LSD1在这些具有多潜能性的细胞中高表达。为了更好的理解组蛋白去甲基化酶的特性，我们利用已知的LSD1的晶体结构设计合成了新的LSD1抑制剂。我们发现这些化合物抑制剂能特异性地抑制多潜能肿瘤干细胞的生长而不是非多潜能癌细胞和正常细胞的生长。我们的研究为肿瘤治疗中特异性的靶向肿瘤干细胞提供了新的策略，研究结果于2011年发表在国际期刊 Cancer Research 上。 我们仍在继续研究WDR5，RBBP5，CUL4/DDB1，LSD1和组蛋白甲基化调控多潜能性干细胞和肿瘤干细胞生长的机制，几部分的研究结果目前正在整理投稿中。