大規(guī)模鑒定DNA表觀遺傳修飾轉(zhuǎn)錄因子閱讀器

中國(guó)科學(xué)報(bào) 2021-08-09 作者:黃辛

  8月6日,復(fù)旦大學(xué)人類表型組研究院研究員丁琛團(tuán)隊(duì)在Advanced Science發(fā)表最新研究成果。該團(tuán)隊(duì)聚焦轉(zhuǎn)錄因子研究十余年,在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)大規(guī)模甲基化轉(zhuǎn)錄因子閱讀器的鑒定及功能研究。最新研究提供了最全面的轉(zhuǎn)錄因子—被修飾DNA相互作用組,涵蓋70%的轉(zhuǎn)錄因子。

  值得一提的是,這些數(shù)據(jù)集將使該領(lǐng)域的其他研究人員能夠深入挖掘不同層次的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。此外,該數(shù)據(jù)集將增強(qiáng)對(duì)DNA甲基化修飾驅(qū)動(dòng)的表觀遺傳學(xué)在與發(fā)育和疾病相關(guān)的關(guān)鍵生物過(guò)程中觸發(fā)的分子機(jī)制的理解。

  復(fù)旦大學(xué)人類表型組研究院博士研究生白琳為論文第一作者,丁琛和中科院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所研究員楊雯雋為論文的通訊作者。

  轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)豐度極低 

  轉(zhuǎn)錄是將遺傳信息由DNA復(fù)制到RNA的過(guò)程,是蛋白質(zhì)生物合成的第一步,相當(dāng)于對(duì)DNA進(jìn)行“解碼”和“翻譯”的起始。轉(zhuǎn)錄因子(TF)是調(diào)控生物體轉(zhuǎn)錄過(guò)程的重要物質(zhì)。

  轉(zhuǎn)錄因子在幾乎所有生物過(guò)程和基因表達(dá)模式中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),人類基因組中約有1500個(gè)轉(zhuǎn)錄因子編碼基因。轉(zhuǎn)錄因子可特異性識(shí)別下游靶基因,并隨后一起構(gòu)建出轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄共調(diào)節(jié)子與DNA的復(fù)合體,從而在調(diào)控各種生物過(guò)程的激活或者抑制中發(fā)揮重要作用。然而,轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)豐度極低,使得對(duì)轉(zhuǎn)錄因子及其形成的復(fù)合物的純化及鑒定非常困難。

  盡管 DNA 甲基化在各種生物過(guò)程和物種中都有過(guò)研究報(bào)道,但是對(duì)這些數(shù)據(jù)集的解釋往往不能提供對(duì)DNA甲基化水平動(dòng)態(tài)變化的機(jī)制性理解。建立DNA甲基化和表觀遺傳領(lǐng)域的生理結(jié)果之間的因果關(guān)系是生命科學(xué)前沿領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

  丁琛介紹,從以有的研究結(jié)果來(lái)看,要理解DNA甲基化機(jī)制的第一步,就要識(shí)別出將甲基化信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物行為的DNA甲基化“閱讀器”和“寫入器”,即要確定與DNA甲基化動(dòng)力學(xué)相關(guān)的蛋白質(zhì)和DNA之間的相互作用,這對(duì)于破譯通過(guò)甲基化方式開(kāi)展的各類生物過(guò)程中的遺傳“密碼”至關(guān)重要。

  然而,另一個(gè)難題又來(lái)了?!耙?yàn)檗D(zhuǎn)錄因子在生物體內(nèi)先天豐度的不足,迄今為止對(duì)于轉(zhuǎn)錄因子閱讀器的大規(guī)模研究仍無(wú)能為力?!?丁琛說(shuō)。

  拓展一項(xiàng)原創(chuàng)關(guān)鍵技術(shù) 

  這一最新成果取得的基礎(chǔ),是由丁琛團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)并于2013年首次發(fā)布的一項(xiàng)原創(chuàng)關(guān)鍵技術(shù)——轉(zhuǎn)錄因子串聯(lián)結(jié)合元件序列(catTFRE)。該技術(shù)利用轉(zhuǎn)錄因子與序列特異性DNA元件結(jié)合的特點(diǎn),首次設(shè)計(jì)合成串聯(lián)各種轉(zhuǎn)錄因子的多拷貝雙鏈DNA結(jié)合元件,并通過(guò)與預(yù)先制備好的核蛋白一起孵育,從而從核蛋白中分離純化具有DNA結(jié)合活性的內(nèi)源轉(zhuǎn)錄因子及其復(fù)合物。

  “可以說(shuō),catTFRE是研究轉(zhuǎn)錄調(diào)控領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù),對(duì)開(kāi)展生物醫(yī)學(xué)前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新研究具有重大價(jià)值?!倍¤≌f(shuō)。

  然而,catTFRE這一技術(shù)是否可能拓展到表觀遺傳修飾的研究中,以及是否可以通過(guò)改良該技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模的表觀遺傳修飾轉(zhuǎn)錄因子閱讀器的大規(guī)模篩選,仍未知。

  經(jīng)過(guò)多年持續(xù)攻關(guān),丁琛團(tuán)隊(duì)最終成功利用改良的modi-catTFRE技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模的內(nèi)源性甲基化、羥甲基化、甲?;D(zhuǎn)錄因子閱讀器的鑒定及功能研究,在表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域取得了重要科研進(jìn)展。

  在本次研究中,研究人員首先通過(guò)PCR擴(kuò)增技術(shù),以catTFRE為模版,以不同修飾的胞嘧啶堿基為原料分別獲得了5甲基胞嘧啶-TFRE序列(5mC-TFRE)、5羥甲基胞嘧啶-TFRE序列(5hmC-TFRE)和5甲?;奏?TFRE序列(5fC-TFRE),研究使用四種腫瘤細(xì)胞系和小鼠腦發(fā)育的五個(gè)時(shí)間點(diǎn)的核蛋白提取物,使用無(wú)標(biāo)記定量質(zhì)譜技術(shù),共覆蓋到約70%的轉(zhuǎn)錄因子,提供全景式蛋白質(zhì)組學(xué)下的轉(zhuǎn)錄因子和被修飾DNA(TF-modified DNA)的結(jié)合模式。該研究同時(shí)還鑒定到多種特定修飾結(jié)合的轉(zhuǎn)錄共調(diào)解因子以及DNA結(jié)合蛋白等,并對(duì)5C、5mC、5hmC、5fC-modified特異偏好結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子閱讀器進(jìn)行了功能富集分析。結(jié)果顯示,無(wú)修飾5胞嘧啶DNA序列(5C-modified DAN)結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子主要執(zhí)行常規(guī)功能;5羥甲基胞嘧啶DNA序列和5甲?;奏NA序列(5hmC&5fC-modified DNA)結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子主要參與發(fā)育、分化等功能。

  同時(shí),該研究還全面解析24個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族和35個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)域與甲基化修飾DNA結(jié)合的偏好性。其中,SCAN結(jié)構(gòu)域顯著偏好結(jié)合5甲酰基胞嘧啶DNA序列(5fC-modified DNA),模擬蛋白結(jié)構(gòu)解析同樣證明該結(jié)論,進(jìn)一步證明表觀遺傳驅(qū)動(dòng)的特征生物學(xué)過(guò)程。

  除此之外,研究人員還對(duì)小鼠大腦發(fā)育過(guò)程中轉(zhuǎn)錄因子特異甲基化修飾DNA結(jié)合模式的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了實(shí)證研究,揭示鼠腦發(fā)育過(guò)程的全景式轉(zhuǎn)錄因子—被修飾DNA結(jié)合模式,闡明不同轉(zhuǎn)錄因子修飾的DNA復(fù)合物在控制不同基因表達(dá)中的作用。轉(zhuǎn)錄因子—被修飾DNA相互作用組在不同發(fā)育階段具有不同的結(jié)合偏好性,進(jìn)一步證明大腦發(fā)育過(guò)程中動(dòng)態(tài)表觀遺傳調(diào)控所起到的的關(guān)鍵作用。

  相關(guān)論文信息:

  https://doi.org/10.1002/advs.202101426

責(zé)任編輯:王超

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