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衰老是所有生物都面临着的一个复杂而且不可逆转的生物学过程。衰老的过程中大多数的生理机能都逐渐减退,机体失去体内生理平衡,最终导致了疾病和死亡的发生。尽管衰老广泛存并且对生命有着重要的影响,但是长期以来对于单个基因或者单个信号通路的研究并没有从根本上揭示衰老的分子机制。生物体发育过程中,表观遗传修饰在确定基因的转录状态和决定细胞的命运上发挥着重要的作用。并且,表观遗传因子还是接收和记录环境信息的媒介。在一定条件下表观遗传修饰还可以将环境因素对于基因组的影响遗传给后代,或者影响基因表达的过程,因此,在衰老的过程中,表观遗传修饰很可能介导了环境对于基因组的影响,并影响了衰老的速率。在这种情况下,利用分子系统生物学方法,从表观遗传学角度进行衰老过程中基因转录调控的研究将有助于我们解开衰老的机制之谜。
在本文的研究中,我们对不同年龄阶段的恒河猴大脑前额叶区域组织进行了组蛋白甲基化修饰H3K4me3,H3K4me2和H3K27me3的ChIP-seq实验。1)通过整合分析恒河猴大脑组织中H3K4me3的ChIP-seq数据和RNA-seq数据以及基因组的结构信息,精确定位了17,933个TSSs,预测了大约10,000个新的TSSs,同时确定了这些基因的转录方向。2)对于基因启动子区域的H3K4me2和H3K27me3的ChIP-seq数据的分析发现,它们在恒河猴大脑中随着衰老的发生逐渐增加。结合基因表达芯片数据进行的功能性分析结果表明,启动子区H3K4me2和H3K27me3的修饰水平发生显著变化的基因,其功能富集在衰老相关的神经系统的发育、细胞的形态建成、转录调控、离子转运和信号传导、物质合成和能量代谢、刺激应答和免疫功能等生物学过程中。这可能预示着H3K4me2和H3K27me3的修饰调控了基因的转录过程,进而影响了衰老相关的生物学过程。3)H3K4me2还标识了增强子区域。我们通过机器学习(machine learning)算法,利用恒河猴大脑组织中的H3K4me2和H3K27me3的ChIP-seq数据预测得到了30,000多个恒河猴大脑中潜在的增强子序列,对其功能分析结果表明,恒河猴大脑中的潜在的增强子在神经突触传递、细胞形态、离子结合、刺激应答等衰老过程中变化显著的生物学过程中显示出明显的富集。和启动子区组蛋白修饰水平变化影响的生物学过程一致性表明,预测得到的一些增强子和启动子一起调控了Axon guidance和Circadian Rhythm等大脑衰老特异性的生物学过程。4)在基因转录调控的研究中,对绝缘子的作用了解的还较少。因此在进行组蛋白甲基化修饰对于TSSs,启动子和增强子进行研究的同时,我们在细胞系中对反式调控因子绝缘子结合蛋白CTCF所受到的表观遗传学调控进行了初步探索。通过生物信息学的模型预测和全基因组的ChIP-seq的实验分析,证明了H2AZ和H3K9me2对于一些位点上CTCF的结合有调控作用。
综合以上结果,表观遗传学修饰在启动子、增强子以及绝缘子区域的修饰状态会对基因转录调控过程产生影响。我们所关注的组蛋白甲基化修饰H3K4me2和H3K27me3在恒河猴大脑衰老过程中影响了基因表达调控的关键元件进而调控了基因转录,并且通过这些关键区域上的修饰水平的变化影响了衰老相关基因的表达,进而影响了衰老的发生。