5-羟甲基胞嘧啶在亨廷顿氏舞蹈症病理发生中的作用机制

DNA methylation at the 5 position of cytosine (5mC) is a key epigenetic mark that is critical for various biological and pathological processes. 5mC can be converted to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by the ten-eleven translocation (TET) family of DNA hydroxylases. 5hmC plays an important role in the neurodevelopment and expression of neuron related genes. Our preliminary results demonstrated a marked reduction of 5hmC signal in Huntington's disease (HD), but whether this 5hmc reduction happens genome-wide or loci-specific and what is the underlying mechanism and significance of 5hmC reduction in HD is unknown. In this proposal, by employing the bioinformatic、genetic、celluar and molecular technique, we will use the yeast artificial chromosome (YAC128) transgenic HD mouse model to explore the dynamic distribution of genome-wide 5hmC, the relationship between TET family and 5hmC, and the significance of re-establishing 5hmC landscape in Huntington's disease (HD)，aiming to provide important insights to the HD pathology and treatment at epigenetic level.

DNA胞嘧啶5位置的甲基化(5mC)是一个非常关键的，参与不同生理过程和病理过程的表观遗传学修饰。5mC能够被DNA羟甲基化酶TET家族催化形成5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)。5hmC参与神经发育和神经相关基因的表达过程。在前期工作中，我们首次发现亨廷顿氏舞蹈症小鼠脑组织的5hmC水平显著降低，提示5hmC修饰异常可能在舞蹈病的病理发生中有重要作用。本研究将以生物信息学、遗传学、细胞生物学和分子生物学为手段，以亨廷顿氏舞蹈症YAC128小鼠为疾病模型，探索5hmC这一新的表观遗传学修饰在HD疾病基因组中分布的变化,TET家族蛋白与5hmC水平异常的关系以及重塑5hmC水平在HD疾病中的生物学意义，为阐明亨廷顿氏舞蹈病在表观遗传学水平上的病理机制和寻求潜在治疗靶标提供有益的线索。

DNA胞嘧啶5位置的甲基化(5mC)是一个非常关键的，参与不同生理过程和病理过程的表观遗传学修饰。5mC能够被DNA羟甲基化酶TET家族催化形成5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)。有证据显示胞嘧啶羟甲基化修饰在胚胎发育和胚胎干细胞的增殖分化、神经细胞的分化成熟中有重要作用。然而关于DNA的5hmC修饰与神经退行性疾病的关系还未见报道。本项目系统分析了不同月龄的野生鼠和舞蹈病疾病模型鼠脑组织和脑组织不同区域的5hmC修饰水平。发现小鼠出生后随月龄增长，神经细胞的5hmC水平快速上升，在三个月龄达到最高值；随后随月龄增加5hmC水平逐渐降低，说明在个体成熟发育过程中，大脑皮层区和纹状体区的基因组程序性地建立了DNA羟甲基化修饰；而在衰老过程中，DNA羟甲基化修饰逐渐丧失。与正常小鼠相比，疾病小鼠的纹状体、皮层、海马区域的胞嘧啶羟甲基化水平显著降低，而小脑和周边组织的羟甲基化水平未见改变。这些结果提示舞蹈病脑组织DNA在5hmC构建过程中存在缺陷。全基因组范围的5hmC分析鉴定了一系列舞蹈病相关的差异5hmC富集区域和差异表达的基因。进一步通路分析发现神经干细胞增殖及发育分化相关通路（如Wnt/b-catenin/Sox pathway, axonal guidance signaling pathway）和神经元功能以及存活相关通路（glutamate receptor/calcium/CREB, GABA receptor signaling, dopamine-DARPP32 feedback pathway etc）与疾病的发生密切相关。这些结果首次揭示了5hmC丢失可能是舞蹈病新的表观特征标记，同时也为该疾病的治疗开辟了一个新的方向。