人类神经管畸形的组蛋白乙酰化修饰病理机制

Histone acetylation belongs to post-translation and regulates gene transcription. Our preliminary data indicated the histone acetylation on specific lysine on the neurulation-relavent genes promoter regions has changed in small samples human and mice affected with neural tube defects (NTDs). So in this program we are going to detect the micronutrition level and acetyl-CoA level in the neural tissues of 200 human NTDs cases and 200 controls, then the level of global histone acetylation and the level on the specific lysine site will examined. Subsequently we will investigate the influence on histone acetylation by ectopic micronutrition and genetic variation in low folic acid or high glucose-treated H1 embryonic stem cell, or mouse neural stem cell transfected by the mutant with case-specific missense mutations on histone acetyltransferase genes,and their enrichment on the target genes, finally to find histone acetylation dysregulating neurulation-relavent transcriptome. The present program aims at to find the shared histone acetylation mechanism induced by abnormal micronutrition and genetic variatioin, and supplies the experimental evidence of this epigenetic mechanism on prevention and diagnosis to such disease.

组蛋白乙酰化是一种组蛋白翻译后修饰方式，具有调控基因转录的功能。本课题组前期研究观察小样本人类及小鼠神经管畸形中几个神经管闭合基因的特定赖氨酸位点上组蛋白乙酰化修饰水平发生改变。因此本项目拟对200例人类神经管畸形和200例对照样本进行微环境营养及组蛋白乙酰基直接供体乙酰辅酶A水平检测，并检测总体组蛋白乙酰化及特定位点组蛋白乙酰化修饰水平，进而在低叶酸或高葡萄糖处理H1人胚胎干细胞、或在神经管畸形病例特异性组蛋白乙酰基转移酶错义突变转染的小鼠神经干细胞上研究微环境异常或遗传变异对组蛋白乙酰化修饰水平的影响，以及该修饰在靶基因的富集程度是否发生改变，最终找到由于微环境异常或遗传变异引起的组蛋白乙酰化修饰异常失调的神经管闭合相关转录组。本项目旨在揭示引起神经管畸形中环境和遗传的组蛋白乙酰化修饰共通机制，预期研究结果可为临床对该疾病的预防、诊断从这一表观修饰机制考虑提供试验依据。

孕期糖尿病可以引起胎儿神经管畸形发生率增加。以往文献报道这里诱发机制是通过糖尿病引起应激反应，从而异常增加细胞凋亡介导的。但由于葡萄糖可以被分解为乙酰辅酶A，而乙酰辅酶A是细胞核内组蛋白乙酰化修饰的主要来源，组蛋白的乙酰化修饰状态又与基因转录表达调控的活性状态密切相关，因此我们推测在糖尿病诱发神经管畸形发生的病理机制中，可能也有组蛋白乙酰化修饰来介导。因此在本项目中，我们首先用HPLC-MS/MS蛋白质谱仪分析从而获得正常生理状态和高葡萄糖处理下神经上皮细胞中的组蛋白乙酰化修饰谱，结果发现高葡萄糖处理的确可以改变这种乙酰化修饰谱，且H4K5/8/12/16的乙酰化水平改变得到了western blot检测验证。与此同时，葡萄糖组蛋白乙酰基转移酶Crebbp的转录水平在高葡萄糖处理细胞中也发生了显著改变，而该转移酶即负责调控H4蛋白乙酰化修饰水平，该酶转录水平的变化在糖尿病母鼠胎鼠脑组织中也得到了验证，证明葡萄糖升高的确可以引起该酶转录水平发生改变。进一步研究发现，无论是糖尿病母鼠胎鼠脑组织还是高葡萄糖处理神经上皮细胞中，与H4K5/8/12/16乙酰化修饰相关的细胞增殖现象异常，提示在糖尿病模型中，葡萄糖浓度升高可能通过组蛋白乙酰化修饰水平改变，从而引起神经上皮细胞的增殖异常。而除了H4以外，通过对其他组蛋白修饰水平的观察发现，高葡萄糖还可以引起H3K27的乙酰化修饰和三甲基化修饰发生改变。ChIP-seq和RNA-seq结果汇总发现，一些与神经发育相关的基因转录水平和H3K27修饰水平均发生了改变，提示该转录调控异常可能是导致转录水平发生改变的直接因素。而葡萄糖向乙酰辅酶A转化的关键酶柠檬酸裂解酶Acl的敲低的确可以引起H3K27修饰水平发生变化。本项目的研究结果表明组蛋白乙酰化水平改变是糖尿病或者高糖引起神经管畸形发生的一个可能病理机制，这为避免糖尿病或者血糖浓度过高孕妇可能引起胎儿神经管畸形发生提出了规避机制。