【基金标书】2010CB944900-胚胎发育的核小体重排和染色质重塑.doc

项目名称:
胚胎发育的核小体重排和染色质重塑
首席科学家:
江赐忠同济大学
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
教育部上海市科委
一、研究内容
从受精卵到胚胎的发育过程是一个非常复杂的生理过程,要求基因在时空上的精确转录表达。而核小体作为染色质的最基本结构,通过屏蔽和开放DNA来调控基因的转录。前人研究已经表明在胚胎发育过程中,染色质结构发生了巨大的变化。但是,还不清楚胚胎发育、胚胎干细胞分化、以及成熟体细胞逆分化为多能干细胞(iPS细胞)的过程中核小体定位、染色质结构发生了什么样的变化?以及这些变化对胚胎发育、干细胞分化、iPS细胞多能性获得等具有怎样的决定作用?这些变化的分子机制是什么?(构成核小体的)组蛋白修饰和DNA甲基化在核小体重排和染色质重塑中的作用及机制如何?以上这些都是本项目的关键科学问题。
针对上述科学问题,本项目包括以下主要研究内容:
1. 从胚胎发育、体细胞重编程、干细胞分化三个方向研究核小体重排和染色质重塑。具体来说:
1) 在胚胎水平上, 以果蝇为模式生物, 在典型的两个发育时间点, 分别绘制果蝇胚胎高分辨率全基因组核小体图谱,再比较核小体定位和染色质结构的变化; 类似地,分析比较野生型和突变体中核小体定位和染色质结构的变化;揭示核小体定位和染色质结构变化的本质规律。以期阐明核小体定位和染色质结构在维护胚胎正常发育中的作用和分子机制。并建立一套稳定适用于多物种的高分辨率全基因组核小体图谱的高效绘制方法。
2) 分别绘制胚胎干细胞和iPS细胞多能性诱导后的高分辨率全基因组核小体图谱,通过比较核小体定位和染色质结构的异同, 可以揭示核小体定位和染色质重塑对这两种不同细胞维持多能性中的作用机制,这为理解干细胞分化、iPS细胞多能性获得具有重要意义。同时分析特定组蛋白修饰对核小体定位的影响,鉴定发现与体细胞重编程有关的因子,研究该因子对组蛋白特异性修饰与核小体定位的影响。
2. 影响核小体重排和染色质重塑的因素很多, 其中DNA甲基化和组蛋白修饰是重要的两个。利用模式蛋白UHRF1研究DNA甲基化和组蛋白甲基化之间的互动关系, 以及二者对核小体定位和染色质重塑的调控机制。再以经基因剔除处理过的小鼠胚胎干细胞为材料, 进一步研究DNA甲基化、组蛋白甲基化和核小体重排对干细胞分化的作用。
3. DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑因子的作用、核小体重排和染色质重塑是个复杂的调控网络。因此,本项目还将从表观遗传组学的角度上宏观分析这一调控网络: 整合基因组学、比较基因组学和细胞信号转导通路数据,构建表观遗传组学数据中心;建立表观遗传组学分析平台;系统研究核小体重排、组蛋白修饰与转录因子之间的相互作用。另外, 本项目涉及高通量数据的处理, 我们将开发相应高通量鉴定组蛋白修饰差异和核小体定位变化的分析工具。
二、预期目标
总体目标:
本项目以模式动物胚胎发育和细胞分化过程中核小体重排和染色质重塑为基本问题,整合国内优秀团队,利用当前最先进的研究手段和技术,从分子生物学、发育学和基因组学等方向上进行研究。具体来说是,阐明果蝇胚胎发育、体细胞重编程和干细胞分化中核小体分布和染色质结构的变化规律,组蛋白修饰和染色质重塑因子对核小体重排和染色质重塑的作用机制。以期揭示核小体重排和染色质重塑在维护胚胎正常发育中的作用和分子机理,以及在体细胞重编程中的作用;同时开发高通量分析方法,建立表观遗传组学数据中心和分析平台,进一步阐明核小体重排和组蛋白修饰在基因转录调控网络中的重要作用。通过本项目的结题,将获得一批有自主知识产权的重要成果,提高国家科研实力,为解决不断上升的由发育异常导致的缺陷新生儿以及预防、诊断和治疗其它与表观调控异常关联的疾病提供理论依据,并提高iPS细胞诱导效率,为加快iPS细胞在组织移植和器官移植中的临床应用打下技术基础。
五年预期目标:
绘制果蝇胚胎发育关键时期和特定基因突变体的高分辨率全基因组核小体图谱,阐明核小体重排和染色质结构在发育过程中的变化和功能,建立一套稳定的可应用于不同物种的绘制高分辨率核小体图谱的方法。
绘制胚胎干细胞和iPS 细胞的高分辨率全基因组核小体图谱,分析比较二者的核小体重排和染色质重塑的异同。揭示核小体重排和染色质重塑在维持胚胎干细胞和iPS 细胞全/多能性中的作用。
以UHRF1为模式蛋白,研究组蛋白修饰和DNA甲基化之间的互动关系,并对核小体重排的作用。利用UHRF1敲除小鼠胚胎干细胞为材料,阐明组蛋白修饰、DNA甲基化和核小体重排在胚胎干细胞分化中的作用机制。
开发一套高效分析鉴定核小体定位变化和组蛋白修饰差异的计算生物学方法,建立国内首个专门针对核小体定位、组蛋白修饰、顺式调控元件、及它们相互作用的表观遗传组学数