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真核生物中,遗传物质DNA通过与组蛋白结合形成核小体,核小体再经过多重压缩形成染色质。虽然核小体中的组蛋白在进化中高度保守,但是核小体组蛋白的结构却是动态变化的,这种结构的变化主要是通过调节组蛋白的共价修饰来实现。真核生物中组蛋白的修饰主要包括乙酰化、甲基化、泛素化以及磷酸化等。生物体正是通过改变组蛋白的这些共价修饰的状态,来改变染色质的结构,从而影响基因的表达,进而实现不同生物学过程中基因的特异性表达。
在真核生物的几种共价修饰中,甲基化可能是其中最为复杂的一种修饰方式。因为组蛋白中不仅存在着多个位点的氨基酸残基可以被甲基化修饰,而且同一个氨基酸残基上可以存在多种甲基化现象。如赖氨酸残基上可以存在单甲基化、二甲基化以及三甲基化三种不同的修饰方式,这些不同位点的不同甲基化修饰方式会带来不同的生物学效应。目前已经有大量的实验证据表明组蛋白的甲基化修饰在基因转录、DNA复制、DNA损伤修复、细胞周期以及细胞增殖过程中具有重要的调控作用。
尽管在很长一段时间内甲基化都被认为是组蛋白上的一种恒定的标签,具有不可逆性,但是随着组蛋白去甲基化酶的连续报道,这一假设终于被大量的实验数据所推翻。综合已有报道的结果,组蛋白去甲基化酶主要包括两个家族的蛋白,一个是以FAD为辅助因子的LSD家族,这个家族目前只报道两个成员,即LSD1和LSD2。另外一个家族就是以2-酮戊二酸和亚铁离子为辅助因子含有JmjC结构域的去甲基化酶家族。相对于前一家族来说,这一家族成员更为复杂,在哺乳动物基因组中大约有27个包含JmjC结构域的蛋白基因,但目前只证明了这其中的15个具有组蛋白去甲基化酶活性。在果蝇中也报道了多个含有JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶。水稻和拟南芥中也存在超过20个含有JmjC结构域的蛋白基因。这些组蛋白去甲基化酶都具有一定专一性,都只能对某些位点的某些组蛋白甲基化修饰方式进行去甲基化。
家蚕是重要的经济昆虫和鳞翅目的模式生物,大量的农林业害虫都是鳞翅目昆虫,因而研究家蚕的变态发育既具有重要的生物学意义,也可以带来巨大的经济效益。既然真核生物中组蛋白的甲基化具有如此重要的生物学功能,目前在鳞翅目昆虫又没有相关的报道,我们希望了解家蚕中组蛋白的甲基化模式以及去甲基化机制。为进一步了解家蚕的变态发育过程提供新的研究证据,为农林害虫的防治提供新的理论依据。
在最近的研究中,miRNA也被报道与细胞生长分化、生物体的发育密切相关,而组蛋白的甲基化修饰也具有相似的功能。本文中做了一个大胆的假设,我们想探索这两种调节机制之间是否存在某种关联。
在本研究论文中,我们首次对家蚕组蛋白H3的甲基化模式进行了较系统的检测,证明了家蚕组蛋白也存在甲基化修饰；其次通过对组蛋白去甲基化酶BmLid的研究证明了家蚕中也存在着JmjC家族的组蛋白去甲基化酶并且具有比其同源基因广泛的酶活,也证明了BmLid序列中PLU结构域的缺失是导致其酶活专一性下降的因为之一,这个结果有助于进一步了解JmjC家族的组蛋白去甲基化酶的作用机理；然后也对BmLid在家蚕中的生物学功能经行了初步探索；最后提出了miRNA和组蛋白甲基化修饰的调节作用可能存在关联的假设,并进行了初步的实验验证,有助于从整体水平来理解生物体生长发育过程中的调节机制。