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全反式维甲酸（RA）诱导的神经细胞分化中NeuroD1基因调控的分子机制研究

作　者: 方洪波
导　师: 沈珝琲；吴宁华；张业
学　校: 中国协和医科大学
专　业: 生物化学与分子生物学
关键词: 组蛋白研究生论文全反式维甲酸基因启动子启动子活性神经分化启动子区乙酰化染色质细胞分化
分类号: Q343
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

全反式维甲酸（RA）诱导的神经细胞分化中NeuroD1基因调控的分子机制研究NeuroD1是一类与神经细胞分化和神经系统发育紧密相关的调控因子,其家族中共有七个成员,分别是NeuroD1～6和PJA2。NeuroD1作为一种神经分化因子在外周和中枢神经系统发育过程中都有的高表达。尽管NeuroD1在神经细胞发育中通常是瞬时表达,但在成年小鼠的小脑与海马区细胞中为持续表达;同时,其表达水平也随神经元细胞的成熟而降低。在神经母细胞中过表达NeuroD1时可引起神经细胞提前成熟;而在向表皮细胞分化的细胞中引入外源过表达的NeuroD1则可导致该细胞发育成为神经元细胞。在12种成神经管细胞瘤、成神经细胞瘤和视网膜成细胞瘤中NeuroD1基因都有表达,并且在受到各种刺激或向神经细胞方向诱导时其表达水平都会有显著升高。NeuroD1（-/-）小鼠在出生后立即死亡;重新转入neuroD1,这种小鼠虽然可继续生长,但其小脑和海马区粒细胞层在分化后会出现严重的神经元缺失。在真核生物中,组蛋白是染色质基本结构一核小体中的重要组成部分,其N末端氨基酸残基可发生乙酰化等共价修饰。组蛋白乙酰化与转录活性有密切关系:乙酰化组蛋白特异地聚集于活性染色质功能区。组蛋白的乙酰化是一可逆的动态过程,而其稳定状态的维持则是多种组蛋白乙酰基转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰基转移酶（HDACs）共同作用的结果。这种可逆的乙酰化修饰作用可使染色质结构发生动态的改变,并对基因的转录产生重要影响。我们以RA诱导神经母细胞瘤SH-SY5Y分化为模型,低浓度RA处理24小时后,采用染色质免疫沉淀和启动子芯片结合技术研究基因组20,000基因的启动子区组蛋白H3K9和H3K14双乙酰化水平变化。本文中所用的ChIP on chip是染色质免疫沉淀与启动子DNA芯片相结合的一种新技术,作为系统生物学的一种手段去检测全基因组范围内变化,它具有高效性和高通量的特点。我们筛选染色质中通常代表转录活性的两个乙酰化修饰位点的分布及其在诱导前后的变化,并检出阳性位点相关的启动子与基因。初步结果根据log₂Ratio≥1或log₂Ratio≤-1分析,找到了597个乙酰化水平上升的启动子和647个乙酰化水平下降的启动子位点,显示RA的处理在细胞分化早期诱导了上述变化。鉴于RA诱导SH-SY5Y细胞分化一般出现在96小时后,上述乙酰化有改变的启动子不仅提示了神经分化早期的相关基因,还包含着与RA受体活化的效应基因。我们选择了数个乙酰化修饰发生变化的基因进行验证,结果显示其一致性达到70%。如PRKCA启动子区组蛋白H3乙酰化水平下降显著,CGB2、CUL7、ELF3、FOXH1、JARID1A和RARB上升显著,而NRG1,MVP和CSF1R变化不显著,与前七者与ChIP on chip结果一致,而后三者则不一致。值得重视的是发现神经分化标记基因NeuroD1的核心启动子区组蛋白H3的K9/K14的乙酰化水平明显降低,但是其mRNA表达水平却明显升高。为深入探讨其机制,我们开展了以下工作。为进一步研究NeuroD1调控的分子机制,在RA诱导的P19细胞分化模型中,NeuroD1核心启动子区的组蛋白H3乙酰化水平逐步降低,去除RA后组蛋白乙酰化H3修饰有回升,但在整个过程中神经细胞早期分化标记基因NeuroD1的mRNA水平一直升高;这种组蛋白H3乙酰化修饰和NeuroD1 mRNA变化关系与SH-SY5Y细胞分化模型相似。NeuroD1具有激活自身的启动子效应,并且对顺式调节元节E1 box依赖;研究表明,用TSA处理时,NeuroD1蛋白水平显著升高,但其激活活性反而受到抑制。免疫荧光结果表明,NeuroD1聚集在细胞核内;在TSA处理时,不仅NeuroD1的蛋白水平发生改变,而且在细胞中的定位发生改变,其蛋白会发生核膜聚集现象。RA能促进NeuroD1的自身激活作用;组蛋白去乙酰化酶HDAC3对自身激活效应具有协同激活作用,能显著增强自身激活效应。免疫共沉淀结果表明NeuroD1和HDAC3蛋白存在于同一个蛋白复合物中,两者之间可能存在相互作用。其他去乙酰化酶（HDAC）,如HDAC1,HDAC2,HDAC4,HDAC5,HDAC6都对NeuroD1的激活没有影响。外源表达HDAC3在去乙酰化酶抑制剂TSA处理的情况下蛋白被修饰,NeuroD1的加入能阻止HDAC3的修饰。可能的机制是,HDAC3在TSA存在的时,在含HDAC3的蛋白复合物中HDAC3被丝/苏氨酸蛋白磷酸酶PP4c磷酸化;当NeuroD1存在的时候,通过某种方式抑制这种磷酸化修饰。综上所述,在神经细胞分化进程中,神经分化标记基因neuroD1的表达受NeuroD1以及HDAC3的精确调控来执行其功能。

全文目录

目录  3-5
中文摘要  5-7
英文摘要(abstract)  7-9
前言  9-19
材料与方法  19-43
  第一部分试剂和材料  19-21
  第二部分菌株、细胞株和质粒  21
  第三部分实验方法  21-43
    一、限制性内切酶的酶切反应  21
    二、从琼脂糖凝胶中回收DNA片段  21-22
    三、DNA片段的连接  22
    四、感受态大肠杆菌的制备  22
    五、质粒DNA的转化  22
    六、质粒DNA的碱法小量制备  22
    七、质粒DNA的大量制备  22-23
    八、细胞培养  23
    九、细胞处理  23
    十、质粒转染细胞  23-24
    十一、Western印迹分析  24-26
    十二、流式细胞检测样品准备  26
    十三、细胞总RNA的制备  26
    十四、免疫荧光分析  26-27
    十五、PCR扩增  27-28
    十六、琼脂糖凝胶电泳  28
    十七、Real-time Quantitative RT-PCR  28
    十八、免疫共沉淀(Co-immunoprecipitation)  28
    十九、染色质免疫沉淀(Chromatin Immunoprecipitation，ChIP)  28-30
    二十、ChIP on chip analysis  30-33
    二十一、基因组DNA的提取  33
    二十二、双荧光素酶测定  33
    二十三、neuroD1启动子活性检测  33-43
结果  43-72
  第一部分应用染色质免疫共沉淀技术和基因芯片技术研究神经细胞分化过程中组蛋白乙酰化水平修饰特征  43-59
    一、RA诱导SH-SY5Y细胞分化  43
    二、细胞超声波粉碎分析  43
    三、免疫共沉淀产物扩增后的探针  43-44
    四、杂交芯片扫描图谱  44-45
    五、芯片扫描数据分析  45-59
  第二部分 neuroD1转录调控的初步研究  59-72
    一、体外培养细胞的神经分化  59-60
    二、neuroD1的转录调控  60-62
    三、neuroD1启动子删切分析  62-64
    四、HDAC家族与NeuroD1转录活性  64-68
    五、NeuroD1的相关修饰和定位分析  68-70
    六、neuroD1的表观遗传调节  70-72
讨论  72-74
小结  74-75
缩写词表  75-77
参考文献  77-84
附录  84-89
文献综述  89-96
致谢  96-98
简历  98

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