全基因组启动子DNA甲基化的建立及其对基因转录的影响

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基因转录的精确调控对于生物体的生长发育至关重要,也与疾病的发生发展密切相关。发生在DNA胞嘧啶上的甲基化修饰,即DNA甲基化,是一种重要的参与基因转录调控的表观遗传修饰。位于基因启动子区域的DNA甲基化修饰常与转录抑制相关,然而关于全基因组范围内启动子区域DNA甲基化如何影响基因转录及其精确的分子机制和生物学意义仍然没有被完全理解。DNMT3家族蛋白的ADD结构域能够识别并结合未甲基化修饰的H3(H3K4me0),且该结合能够激活DNMT3A的DNA甲基化酶活性,而H3K4me3修饰则减弱了H3对DNMT3A的招募及激活作用。启动子区域往往富集H3K4me3修饰,这有助于维持启动子区域的DNA低甲基化状态。通过基因工程学手段,我们将DNMT3A2的ADD结构域置换成能够识别H3K4me3的PHF2的PHD结构域,称为“DNMT3A2-PHD”。我们的研究发现,该变异体可以广泛结合H3K4me3富集的基因启动子区域,并建立DNA甲基化修饰。大规模的启动子区域DNA甲基化修饰导致细胞整体转录水平下降,只有一小部分基因的转录水平上升。通过机制研究,我们发现启动子区域DNA甲基化直接抑制一系列转录因子(如c-Myc和E2F1)的结合,从而导致大部分基因的转录受到抑制。而甲基化Cp G结合蛋白(MBPs)的招募、组蛋白去乙酰化以及H3K4me3修饰水平的下降均不是DNMT3A2-PHD导致基因转录抑制的主要原因。与转录抑制剂功能类似,大规模启动子区域DNA甲基化介导的整体转录抑制可能引起细胞凋亡和坏死。该研究加深了我们对启动子区域DNA甲基化谱式影响基因转录和细胞命运的认识。
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