生化所两PI发表PNAS文章 解析DNA甲基化

　　

生物通报道：来自中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，络玛·林达大学(Loma Linda University) 的研究人员发表了起始性DNA甲基化发生的分子新机制，这从功能上揭示了组蛋白H3K4甲基化与DNA甲基化之间的直接联系，加深了人们对DNA甲基化发生机制的认识。这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》PNAS杂志上。

领导这一研究的是上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所周金秋研究员和徐国良研究员，前者早年毕业于南京大学生物系，1997年获得迈阿密大学医学院生物化学与分子生物学系博士学位，主要从事端粒与细胞衰老方面的研究，而徐国良研究员早年毕业于浙江大学(原杭州大学)，近年主要从事动物发育(包括胚胎与成体干细胞分化)过程中DNA甲基化及组蛋白修饰在基因表达调控中的作用及其分子机理的研究。

DNA甲基化对哺乳动物的基因组具有重要调控作用，在哺乳动物细胞中普遍存在，参与转录调控、细胞分化等许多重要的生物学过程，但目前关于DNA甲基化的发生机制尚不清楚。

在这篇文章中，研究人员用酿酒酵母作为研究系统，在本身不存在甲基化的酵母基因组上建立DNA甲基化谱式，揭示了组蛋白H3 N端尾部对于DNA甲基化不可或缺的作用。进一步研究发现，辅助因子Dnmt3L能通过其PHD结构域与第四位赖氨酸未甲基化的组蛋白H3发生相互作用，进而招募DNA甲基转移酶Dnmt3a到靶位点发生起始性DNA甲基化。这一研究首次从功能上揭示了组蛋白H3K4甲基化与DNA甲基化之间的直接联系，加深了人们对DNA甲基化发生机制的认识。

Dnmt3L是目前已知的唯一的起始性甲基转移酶的正调控因子，而且对起始性甲基化活性的靶向性具有重要的影响。在人类中，甲基转移酶Dnmt3a的酶活缺陷可以导致一种常染色体隐性遗传疾病-ICF综合症。

研究人员在之前的研究中曾发现在早期胚胎发育过程中，Dnmt3L的启动子受到了DNA甲基化调控。体外和体内的实验结果表明，Dnmt3a, -3b, -3L都参与了这一过程。其中Dnmt3b是起主要作用的甲基转移酶，而Dnmt3L则作为重要的调控因子。进一步的研究表明，在携带Dnmt3b点突变的ICF模型小鼠中，Dnmt3L的启动子发生了严重的低甲基化。在人类ICF患者中也发现了DNMT3L的低甲基化现象，这提示DNMT3L的调控异常可能参与了ICF综合症的疾病发生过程。

在这一研究基础上，研究人员提出了一个起始性甲基化活性的自调控模型，并且将这一研究进行了扩展，进一步发现了组蛋白H3K4甲基化与DNA甲基化之间的直接联系，即辅助因子Dnmt3L能通过其PHD结构域与第四位赖氨酸未甲基化的组蛋白H3发生相互作用，进而招募DNA甲基转移酶Dnmt3a到靶位点发生起始性DNA甲基化。

（生物通：万纹）

原文摘要：

The N-terminus of histone H3 is required for de novo DNA methylation in chromatin
Jia-Lei Hua,b, Bo O. Zhoua,b, Run-Rui Zhanga,b, Kang-Ling Zhangc, Jin-Qiu Zhoua,1 and Guo-Liang Xua,1

DNA methylation and histone modification are two major epigenetic pathways that interplay to regulate transcriptional activity and other genome functions. Dnmt3L is a regulatory factor for the de novo DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b. Although recent biochemical studies have revealed that Dnmt3L binds to the tail of histone H3 with unmethylated lysine 4 in vitro, the requirement of chromatin components for DNA methylation has not been examined, and functional evidence for the connection of histone tails to DNA methylation is still lacking. Here, we used the budding yeast Saccharomyces cerevisiae as a model system to investigate the chromatin determinants of DNA methylation through ectopic expression of murine Dnmt3a and Dnmt3L. We found that the N terminus of histone H3 tail is required for de novo methylation, while the central part encompassing lysines 9 and 27, as well as the H4 tail are dispensable. DNA methylation occurs predominantly in heterochromatin regions lacking H3K4 methylation. In mutant strains depleted of H3K4 methylation, the DNA methylation level increased 5-fold. The methylation activity of Dnmt3a largely depends on the Dnmt3L's PHD domain recognizing the histone H3 tail with unmethylated lysine 4. Functional analysis of Dnmt3L in mouse ES cells confirmed that the chromatin-recognition ability of Dnmt3L's PHD domain is indeed required for efficient methylation at the promoter of the endogenous Dnmt3L gene. These findings establish the N terminus of histone H3 tail with an unmethylated lysine 4 as a chromatin determinant for DNA methylation.

作者简介：

徐国良

研究员，研究组长，博士生导师

电话：54921332
E-mail: [e-mail]


个人简介：
1981.9-1985.7：浙江大学(原杭州大学)生物系，学士；1985.9-1989.8：中国科学院遗传所，硕士；1989.9-1993.3：德国马普分子遗 传学研究所，博士；1993.3-1994.7：德国马普分子遗传学研究所，博士后；1994.8-1995.9：新加坡国立大学生命科学中心，实验室主任；1995.1-2000.3：美国哥伦比亚大学遗传发育系，博士后；2000.4-2001.7：美国哥伦比亚大学医学系，博士后；2001.8-2006.7：任中国科学院与德国马普学会国际合作青年科学家小组组长，2002年入选中科院“****”，并获得“国家杰出青 年科学基金”。近年主要从事动物发育(包括胚胎与成体干细胞分化)过程中DNA甲基化及组蛋白修饰在基因表达调控中的作用及其分子机理的研究。

研究方向：DNA甲基化与生长发育调控

研究工作：
多细胞生物的个体发育是一个复杂的过程，涉及到各种基因如何响应内外环境的变化从而实现在时间和空间上的表达调控。
近年的科学研究发现，以染色质共价修饰为主要标志的表观遗传(epigenetic)调节对基因的转录如何响应内外环境而发生变化具有重要的调控作用。染 色质共价修饰有二个方面：一是针对DNA本身的修饰，目前已发现的是胞嘧啶碱基第5位碳原子上的甲基化；二是对组蛋白的修饰。这两种修饰都会引起染色质结 构和基因转录活性的变化。在特定的基因组区域，DNA和组蛋白的各种修饰的组合决定了局部染色质的结构和基因转录活性，因而染色质的共价修饰形成了一层 叠加于基因组碱基序列之上的表观遗传信息。
越来越多的研究显示，包括肿瘤与神经退行性疾病在内的所有疾病，都是遗传和环境因素共同作用的结果，其中环境因素的作用占有非常重要的地位。表观遗传 网络作为整合细胞内外环境因素与基因组遗传信息的媒介，直接调控基因表达，决定细胞增殖、分化与功能特化，在正常的生命活动中起到不可或缺的作用。特别是 一些与个体发育和癌症密切相关的基因，经常发生启动子区域甲基化以及组蛋白修饰的畸变。
细胞增殖、分化与功能特化过程中相关基因的表达调控是后基因组时代关注的主要问题。表观遗传学研究因其作用广泛、影响深远，已经引起了越来越多的重视并成为目前生命科学研究中发展迅速的研究领域。
本实验室采用生物化学、细胞生物学和遗传学（包括基因组学）相互依托的实验手段致力于探索：DNA甲基化和组蛋白修饰谱式是如何在胚胎发育早期建立起来的？胚胎干细胞与成体干细胞自我更新与分化是如何达到平衡的？哪些因素导致了 这一平衡的改变而导致肿瘤和疾病发生？对表观遗传信息调控的研究将有助于了解生长发育与疾病发生发展的分子机理，为维护人类健康尤其是再生医学的技术开发提供理论依据。
 

周金秋

研究员，研究组长，博士生导师，所长助理

电话：54921076
E-mail: [e-mail]


个人简介：
1984年至1988就读于南京大学生物系，获学士学位。1992至1997年就读于美国迈阿密大学医学院生物化学与分子生物学系，获博士学位。1998年至2001年在美国普林斯顿大学分子生物学系接受博士后训练。2001年9月作为”****”入选者受聘于生物化学与细胞生物学研究所，任研究员，博士生导师，2002年1月起，任中国科学院与德国马普学会合作的青年科学家小组组长。

研究方向：端粒与细胞衰老

研究工作：
我们实验室的长远目标是探索真核细胞维持染色体稳定性的机制和细胞衰老的机理。目前主要研究：
(1)染色体末端--端粒的结构、功能与复制及其与癌症和细胞衰老的关系；
(2)不依赖端粒长度的细胞衰老的机理。
我们大部分的工作集中在端粒的结构、功能及复制，真核生物端粒酶活性是如何被调节的，端粒酶活性和端粒长短的调节对于癌症和细胞衰老的生物学意义等方面。端粒，真核细胞染色体的末端结构，由简单的DNA重复序列及其结合蛋白组成。端粒对于维持染色体的稳定性具有非常重要的作用：它可以保护染色体末端防止其降解，帮助细胞识别区分完整或者断裂的DNA，促进染色体末端的完整复制。在大多数真核生物中，端粒DNA是由端粒酶，一个端粒特异性的反转录酶合成的。该实验室综合应用遗传学、生物化学以及细胞生物学手段研究酵母和人的端粒酶活性调控，发现鉴定影响端粒的相关蛋白。目前开展了端粒相关蛋白的结构生物学研究。该实验室还起始了以酵母为模型的细胞衰老研究。衰老的速率被认为首先是由遗传控制的，衰老调控基因在进化上是相当保守的。例如，酵母中SGS1基因的突变导致生命周期的缩短，而其在哺乳动物中的同源基因，WRN基因的突变则会导致一种遗传性的早衰(Werner´s综合症)。但是，对于导致这些衰老相关过程的精确机制却仍然知之甚少。因此，在低等生物中确立一些衰老或者长寿的遗传标记将有助于我们解读哺乳动物包括人类的衰老进程。