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细胞分裂中染色质活性和转录状态记忆机制的研究

作　者: 周国岭
导　师: 梁植权；刘德培；吴雪松
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: 有丝分裂常染色质同步化组蛋白甲基化医科大学博士学位论文染色体分离染色质结构调控元件
分类号: Q343
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

细胞分裂中染色质活性和转录状态记忆机制的研究高等真核生物分化发育中要产生多种细胞型，每种细胞型都建立了它特异的基因表达谱，这些特异的基因表达谱在随后的细胞分裂中被有效地保持，以保证生物体分化和发育的稳定型。既然每种细胞型通过DNA复制和有丝分裂都保持着相同的遗传物质—基因组DNA，那么与基因表达密切相关的表观遗传学信息可能在特异细胞型的基因表达谱的传递和保持中起重要作用。因而研究表观遗传学信息在细胞周期进程中如何变化并记忆基因的活性和转录状态是阐明生物体分化发育机制的一个重要课题。为了研究组蛋白修饰是否在细胞分裂中染色质活性和基因表达状态的记忆中发挥作用，利用针对四种活性组蛋白修饰(H3乙酰化、H4乙酰化、H3-K4双甲基化、H3-K79双甲基化)的抗体，采用免疫荧光实验分析了四种修饰在小鼠的红白血病(Murine erythroleukemia，MEL)细胞细胞周期中的变化。结果表明，在间期的细胞核中，H3和H4乙酰化、H3—K4双甲基化三种修饰主要集中在常染色质区，而H3—K79双甲基化修饰除了集中在常染色质区外，在异染色质区也有一些分布，当细胞进入有丝分裂期，染色质固缩为染色体，四种修饰在中期染色体上都有保留，有丝分裂末期，子代细胞核分裂，四种修饰在细胞核内的亚核定位又恢复了。在有丝分裂染色质固缩过程中，大部分由RNA聚合酶介导的转录过程也停止了，有丝分裂后，染色质解固缩，核结构重建，停止的转录又继续了。那么四种活性组蛋白修饰在有丝分裂染色质凝集时有无变化，是否能介导染色质活性和基因转录的保持?为了研究这个问题，我们用有丝分裂的同步化试剂Nocodazole将MEL细胞同步化到有丝分裂期，比较了同步化和未同步化的MEL细胞中四种活性组蛋白修饰在两种细胞群体中的保留情况，探讨了有丝分裂染色质失活时这些活性修饰在基因表达状态记忆中的作用。Nocodazole处理将95％以上的MEL细胞同步化到了G2／M期，在未同步化的MEL细胞中则包含了大约50％的G0／G1，45％S和少于5％的G2／M期细胞。用Westernblotting分析四种修饰在两个细胞群体中总的变化，发现与未同步化的MEL细胞相比，尽管H3和H4乙酰化、H3—K4双甲基化三种修饰在同步化到有丝分裂期的MEL细胞中降低了20-30％，但仍有保留，而H3—K79双甲基化修饰在两种细胞群体中无太大变化。为了研究有丝分裂时这些修饰在染色体上特定位点的变化，分析他们与基因转录状态记忆的关系，我们选择了具有各种转录状态的基因，用染色质免疫沉淀的方法分析了有丝分裂染色质失活时这些修饰在基因启动子区的变化，结果显示四种活性组蛋白修饰可以以不同的组合模式修饰不同转录状态的基因的启动子区，尽管某些种类的修饰在有丝分裂染色质失活时有所降低，但这些修饰仍有保留，而且保留的水平依赖于原来水平的高低，说明这些组蛋白修饰在有丝分裂时可以作为基因活性和转录状态的标记信号，记忆它们以前的表达状态。远距离调控元件是高等真核生物调控基因表达的独特和重要的因素，通过所在区域的染色质结构变化并结合特异的转录因子调控基因的转录状态的变化。为了探讨远距离调控元件在基因表达状态记忆中的作用，我们选择了被广泛作为模型研究远距离基因激活的小鼠的α—和β—珠蛋白基因簇作为模型。通过分析同步化和未同步化MEL细胞中四种活性组蛋白修饰在α—和β—珠蛋白基因簇远端高敏位点上的变化，发现四种活性组蛋白修饰仍以不同的组合修饰不同的高敏位点，尽管某些种类的修饰在有丝分裂染色质失活时有所降低，但这些修饰仍有保留，而且保留的水平依赖于原来水平的高低。这说明在有丝分裂时活性组蛋白修饰可以在远距离调控元件上保留不同的组合模式，保持所在区域的染色质状态和所调控基因的转录状态。上面的结果充分说明了在基因表达调控中起重要作用的组蛋白修饰可以在有丝分裂时充当分子记忆信号，保持染色质活性和基因的转录状态，便于在有丝分裂结束时大量基因转录状态的迅速恢复。为了分析与基因转录密切相关的特异转录激活子在有丝分裂转录记忆中的作用，我们选择了两个对珠蛋白基因表达起重要作用的转录因子GATA-1和NF-E2p45，同时选择有丝分裂染色质凝集时与染色体分离的RNA polⅡ做对照。首先用免疫荧光分析了细胞有丝分裂时它们在细胞核中的变化，结果表明，有丝分裂染色质凝集时RNApolⅡ与染色体无共定位，弥散到整个细胞中。红系特异的激活子GATA-1与之有类似又不同的变化，在间期的细胞核中GATA-1只分布在核区，染色质凝集时，GATA-1在细胞中消失，当有丝分裂后期，姊妹染色单体分开，GATA-1开始在核区出现，有丝分裂末期，子代细胞核分裂时，GATA-1在细胞核中的分布又重新恢复。这说明与RNA polⅡ一样，红系特异的激活子GATA-1在有丝分裂时与染色体分离了。但是有丝分裂时另一个红系特异的激活子NF-E2p45与染色体存在共分布。为了更精确地验证有丝分裂时NF-E2p45与染色体的关系，我们进行了同步化和未同步化MEL细胞的比较染色质免疫沉淀实验，结果显示NF-E2p45与珠蛋白基因簇远端调控元件的两个高敏位点可以特异结合，而且在有丝分裂染色质失活时也可以特异保留在它的结合位点。说明尽管有丝分裂染色质失活时大部分转录因子都与染色体分离了，仍有某些特异的蛋白因子可以保留在中期染色体上充当某种分子记忆信号，并可能在下一轮基因转录状态恢复时起重要作用。已有的研究表明组蛋白H3异构体H3.3在核小体中的整合和移出与转录过程密切相关。为了分析它在染色质中的分布与转录记忆的关系，我们用针对内源H3.3的抗体进行了下面的实验，用免疫荧光分析它在细胞核中的变化时，发现有丝分裂染色质凝集时一部分的H3.3蛋白成团聚集在细胞膜附近区域，但在核区的染色体分区也有分布。为了验证H3.3在中期染色体上是否还有特异位点的保留，比较染色质免疫沉淀分析揭示它在活性和非活性基因位点上都有一定的分布，而且有丝分裂时仍然保留。因而尽管H3.3在核小体中的整合和移出与转录过程密切相关，但它在染色质中的分布是否与基因活性密切相关，是否介导转录记忆需要进一步验证更多的基因和染色质位点。以上结果表明：(1)．活性组蛋白修饰可以以不同的组合模式标记基因不同的转录状态，尽管有些修饰在有丝分裂时有所降低，但这些修饰的组合模式在有丝分裂染色质凝集时仍然保持，从而在中期染色体上标记了基因不同的转录状态，从而有利于有丝分裂后大规模基因表达的重新继续。(2)．活性组蛋白修饰可以以不同的组合模式标记与基因表达密切相关的远距离调控序列，在有丝分裂时也可以保留这些修饰的模式，从而保持调控元件的活性状态和所调控基因的转录状态。(3)．有丝分裂中活性组蛋白修饰介导的基因转录状态的表观记忆模式可能是保持染色质活性和转录记忆的普遍和有效机制。(4)．虽然有丝分裂中大部分与基因转录相关的特异转录因子都与染色体分离了，但仍有某些特异的蛋白因子如NF-E2p45可以保留在染色体上，充当一种分子记忆信号，有助于有丝分裂后所在区域染色质活性的迅速恢复。(5)．虽然H3.3在核小体中的置换和移出与转录过程密切相关，但它在染色体中的分布与基因活性和转录记忆的关系需要进一步的实验验证。

全文目录

目录  3-7
中文摘要  7-11
英文摘要  11-15
前言  15-35
  1. 阐释基因表达调控规律是后基因组时代的重要课题  15
  2. 真核基因表达有序的开和关是生物体分化发育进程中的重要事件  15-27
    2.1 真核基因表达调控是多层次有步骤进行的过程  16-24
      2.1.1 染色质结构变化是真核基因表达调控的重要前提  18-23
      2.1.2 核区室结构域的变化是真核基因表达调控的最高层次  23-24
    2.2 真核基因在分化发育中的表达调控是多种因素共同参与完成的  24-27
  3. 真核基因表达的建立和保持是保证生物体分化发育稳定的重要事件  27-34
    3.1 复制依赖的真核基因表达的建立  28-29
    3.2 细胞分裂中真核基因表达的保持  29-34
      3.2.1 顺式记忆元件和相关蛋白复合物  29-33
      3.2.2 表观记忆信号  33-34
  4. 本课题研究的理论问题与实验设计  34-35
材料与方法  35-53
  实验材料  35-37
    1. 细胞系  35
    2. 交联试剂  35
    3. 有丝分裂同步化试剂  35
    4. 蛋白酶抑制剂  35
    5. 修饰酶  35
    6. 抗体  35-36
    7. 主要试剂  36
    8. 引物合成  36
    9. 主要仪器设备  36-37
  实验方法  37-53
    1. 细胞分裂中染色质活性和转录记忆机制研究的基本技术路线流程图  37
    2. 细胞培养  37-38
      2.1 MEL细胞生长条件  37
      2.2 MEL细胞传代  37-38
      2.3 MEL细胞的复苏和冻存  38
    3. 细胞周期同步化  38-39
      3.1 细胞周期同步化试剂Nocodazole的配置  38
      3.2 用Nocodazole处理将哺乳动物细胞同步化到有丝分裂期  38
      3.3 流式细胞仪测定细胞DNA含量确定同步化效果  38-39
        3.3.1 收集细胞  38
        3.3.2 PI染色法测定细胞周期  38-39
    4. 免疫荧光观察有丝分裂时组蛋白修饰和转录因子的存在情况  39-40
      4.1 多聚甲醛固定  39
      4.2 低渗处理  39
      4.3 封闭  39
      4.4 一抗孵育  39
      4.5 二抗孵育  39-40
      4.6 DAPI或PI染色  40
      4.7 封片  40
      4.8 激光共聚焦显微镜观察记录  40
    5. 用酸抽提法提取细胞总组蛋白  40-41
      5.1 细胞收集和清洗  40
      5.2 细胞裂解  40-41
      5.3 酸溶组蛋白  41
      5.4 丙酮沉淀组蛋白  41
      5.5 组蛋白的溶解和定量  41
    6. Western blotting分析细胞总组蛋白修饰  41-45
      6.1 SDS-PAGE电泳  41-43
      6.2 上样、电泳  43-44
      6.3 电转移  44
      6.4 杂交  44-45
    7 不同转录状态基因启动子区的组蛋白修饰在有丝分裂时的保留分析  45-50
      7.1 不同转录状态基因的选择  45-46
      7.2 引物的设计和引物序列  46-47
      7.3 染色质免疫沉淀(Chromatin Immunoprecipitation，ChIP)  47-50
        7.3.1 未同步化和同步化MEL细胞的甲醛固定  47
        7.3.2 交联固定后细胞核的裂解与保存  47-48
        7.3.3 染色质DNA的超声打断及鉴定  48
        7.3.4 特异抗体与染色质复合物的结合  48
        7.3.5 抗体与染色质复合物的沉淀和洗涤  48
        7.3.6 沉淀产物的洗脱  48-49
        7.3.7 染色质复合物的解交联与DNA片段的纯化、回收  49-50
      7.4 PCR分析  50
    8. 远端调控区的组蛋白修饰在有丝分裂时的保留分析  50-51
      8.1 选择分析的远端调控片段  50
      8.2 引物设计和引物序列  50-51
      8.3 染色质免疫沉淀  51
      8.4 PCR分析  51
    9. 远端调控区结合的特异转录因子在有丝分裂时的保留分析  51-53
      9.1 选择分析的特异转录因子以及引物设计和引物序列  51-52
      9.2 染色质免疫沉淀  52
      9.3 PCR分析  52-53
实验结果  53-78
  1. MEL细胞的同步化和同步化鉴定  53-57
    1.1 Nocodazole使细胞同步于分裂期  53
    1.2 M期标记抗体分析细胞同步化状态  53-55
    1.3 流式细胞仪分析同步化指数  55-57
  2. 活性组蛋白修饰在M期染色体上仍有保留  57-61
    2.1 组蛋白H3和H4乙酰化修饰在M期染色体上的保留  57-58
    2.2 组蛋白H3和H4乙酰化修饰在未同步化和同步化到M期的MEL细胞群体中总的变化分析  58-59
    2.3 组蛋白H3-K4和K79双甲基化修饰在M期染色体上的保留  59-60
    2.4 组蛋白H3-K4和K79双甲基化修饰在未同步化和同步化到M期的MEL细胞群体中总的变化分析  60-61
  3. 有丝分裂时不同转录状态基因启动子区活性组蛋白修饰的保留分析  61-65
    3.1 不同转录状态基因启动子区组蛋白H3和H4乙酰化修饰的保留分析  62-63
    3.2 不同转录状态基因启动子区组蛋白H3-K4和K79双甲基化修饰的保留分析  63-65
  4. 有丝分裂时珠蛋白基因簇远端调控区表观记忆信号的分析  65-75
    4.1 有丝分裂时珠蛋白基因簇远端调控区的活性组蛋白修饰的保留分析  66-71
    4.2 有丝分裂时珠蛋白基因簇远端调控区结合的特异转录因子的保留分析  71-75
  5. 有丝分裂时组蛋白H3异构体H3.3在染色体上的变化  75-78
讨论  78-89
  1. 有丝分裂时活性组蛋白修饰保留是一种普遍有效的基因表达的表观记忆方式  78-82
    1.1 活性组蛋白修饰在M期染色体上仍有保留  79-81
    1.2 有丝分裂染色质失活时多种组蛋白修饰的保留记忆了基因的转录状态  81-82
  2. 有丝分裂时远端调控元件通过多种组蛋白修饰和结合的特异转录因子的保留辅助了基因转录状态的记忆  82-83
  3. 组蛋白H3异构体H3.3在转录记忆中可能的作用  83-84
  4. 特异转录因子在转录记忆中可能的作用  84-86
  5. 有丝分裂后转录的表观记忆信号在转录重新激活中的可能作用  86-87
    5.1 活性组蛋白修饰为激活转录的蛋白因子提供结合表面  86-87
    5.2 保留的特异转录因子可能募集其它激活转录的蛋白因子  87
  6. 本研究的不足之处及今后的工作设想  87-89
小结  89-91
参考文献  91-99
文献综述  99-118
英文名词及缩写  118-121
致谢  121-122
个人简历  122

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