组蛋白翻译后修饰及其结合蛋白系统鉴定新方法的研究

Histone post-translational modifications (PTMs)and its binding proteins are involved in important biological process such as DNA replication, repair and transcription by changing the state of DNA wrapping. Extensive evidence has showed that histone PTMs and binding proteins have an extremely important influence on cell differentiation and tissue development as well as cancer development. Therefore, they had been considered as tumor markers and drug targets. However, due to a wide range of histone modifications, complex modification sites (over 80), and dynamic changes with the change of physiological processes, it has been the lack of highly sensitive, systematic and accurate analytical tools. In this project, we will combine isotope labeling, chemical derivatization, proteins separation, mass spectrometry with specialized software to develop novel method for histone PTMs identification and quantitative analysis; to describe the histone PTMs maps for different patterns of invasion and metastasis of esophageal cancer, to compare the differences in histone modifications, and to explore new histone modifications. We will also design and prepare for the new peptide probes for identification of histone PTM binding proteins, combining with quantitative proteomics techniques. Finally, we will explore and discuss about the relationship between esophageal cancer invasion and metastasis and histone modifications and binding proteins.

组蛋白通过翻译后修饰及其结合蛋白改变了与DNA的缠绕状态，参与了DNA复制、修复和转录等重要的生物过程，对细胞分化、组织发育具有极为重要的影响，与癌症的发生、发展密切联系，具有肿瘤标志物和药物作用靶标等重要的生物学意义。然而，由于组蛋白修饰种类繁多、修饰位点复杂（至少80个），且随着生理过程发生动态变化，因此组蛋白修饰及其结合蛋白的鉴定一直缺乏高灵敏、系统、准确的分析手段。本课题拟以组蛋白各种修饰及其结合蛋白为目标，联合同位素标记、氨基酸残基化学衍生、蛋白分离和质谱分析，以及新的蛋白修饰专门软件，建立组蛋白各种修饰的系统检测和定量分析新方法；分析不同侵袭程度食管癌细胞组蛋白修饰图谱，搜寻新的、未知的组蛋白修饰形式；针对新的修饰位点和重要的差异性修饰，构建并制备新的多肽分子探针，结合定量蛋白质组学技术，分析组蛋白特定修饰位点的相关结合蛋白，探索食管癌侵袭转移与组蛋白修饰及结合蛋白的相关性。

组蛋白翻译后修饰及其结合蛋白参与DNA复制、修复和转录等重要的调控，对细胞分化、组织发育具有极为重要的影响，与肿瘤等重大疾病的发生、发展密切联系，具有肿瘤标志物和药物作用靶标等重要的生物学意义。然而由于组蛋白修饰种类繁多、修饰位点复杂，且随着生理过程发生动态变化，因此组蛋白修饰及其结合蛋白的鉴定缺乏高灵敏、系统、准确的分析手段。基于此本课题开展了组蛋白修饰、结合蛋白以及相关蛋白的分析新方法和应用研究，主要取得如下研究结果：（1）联合稳定同位素标记、赖氨酸残基化学衍生、组蛋白分离和质谱分析，以及蛋白修饰专门软件，建立了组蛋白修饰的系统鉴定和定量分析新方法，并应用于生物医学。鉴定了高、低侵袭性食管癌细胞组蛋白修饰图谱，发现了与侵袭性相关的组蛋白异常修饰H4K79me2，并得到临床样本验证；鉴定了胚胎干细胞分化为神经前体细胞组蛋白修饰图谱，包括赖氨酸丁酰化、琥珀酰化等新修饰，并发现了多个修饰组合形式的变化规律；鉴定了新型抗肿瘤试剂largazole-7对组蛋白修饰各修饰位点的调控规律；（2）构建了药物小分子探针，鉴定了组蛋白去乙酰化酶抑制剂SAHA未见报道的多个作用底物蛋白，并探讨了其中ENO1的作用方式；（3）建立了赖氨酸乙酰化大规模分析的新方法，在大肠杆菌中发现了大量未见报道的修饰位点，拓展了乙酰化修饰的数量；（4）发展了基于质谱鉴定和生物信息学分析解析蛋白修饰的新方法，并发现了两种色氨酸新修饰形式和多个未见报道的羟基化修饰位点；（5）构建了基于DNA自组装和亲和光交联的新型探针，建立了组蛋白修饰结合蛋白分析新方法，研究了肿瘤细胞组蛋白H3K4三甲基化修饰介导的结合蛋白复合物，发现了多个未见报道具有特征结构域的作用蛋白。本项目针对组蛋白修饰、结合蛋白等建立的分析新方法，在食管癌等研究中展现了灵敏、精确的分析效果，在生物医学中具有良好的应用前景。