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血管新生(Angiogenesis)在血管发育和许多疾病如癌症的发生过程中都发挥着极其重要的作用。血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factors,VEGF)是血管新生过程中最重要的调节因子。VEGF能够和其受体VEGFR2结合将信号转导至细胞中引起基因表达的改变。以往的研究对VEGF信号在细胞质内的转导做了比较详细的阐述,但对其在细胞核内如何引起表观遗传的变化以及基因表达变化还尚无系统性研究。在这篇论文中,我们着重研究了VEGFA对血管内皮细胞中表观遗传学和基因转录机制的影响。首先,我们通过RNA-seq检测了在VEGFA刺激之后人脐静脉内皮细胞(HUVEC)中mRNA的表达。我们发现874个差异表达基因,并根据它们的时间表达模式不同将其分为7簇(G1-G7)。每一簇基因的功能不同,其中在1h时迅速上调的G4-5基因簇中超过一半(55%)的基因是转录因子,表明VEGFA刺激之后,细胞在短时间内通过调节转录的产出以响应VEGFA引起的细胞的改变。我们利用染色质免疫沉淀和高通量测序(ChIP-seq)技术分析VEGFA刺激之后HUVEC细胞中多个组蛋白修饰的全基因组染色质占位情况,通过关联分析,发现是近端启动子的表观遗传强度,而不是动态变化,决定了基因对VEGFA信号的转录响应。为进一步解析调控VEGFA转录响应的表观遗传学机制,我们研究了远端染色质区域的表观遗传学修饰。结果表明VEGFA能够诱导大范围的远端调节区域表观遗传学修饰的改变,并且这些改变与的基因转录密切相关,对调节VEGFA的响应至关重要。超级增强子(super enhancers,SEs)是由多个增强子组成的增强子簇,能够结合一系列的转录因子,驱动参与调节细胞命运基因的表达。但关于超级增强子在血管新生过程和VEGF信号通路中的作用和功能我们却知之甚少。我们发现超级增强子内的组成增强子的动态性是一种新的调节VEGF靶基因转录的表观遗传特征。转录因子(Transcription factors,TFs)能够识别特殊的DNA基序(Motif),直接影响染色质结构和基因转录。为进一步阐明内皮细胞中的转录因子对增强子以及VEGF应答转录的动态调控作用,我们分析了内皮细胞关键转录因子在全基因组上的结合位点。通过分析基序在同一区域内的共现情况,我们发现了六大类转录因子,其中包括多个ETS转录因子的识别位点,突出了ETS家族在内皮细胞中的主导作用。为了证明增强子的动态变化可能是由于转录因子与染色体动态结合导致的,我们从六大类转录因子中选择了六个与血管新生和VEGF通路密切相关转录因子(ETS1、ERG、FLI、GATA2、JUN和RBPJ)以及两个表观遗传修饰酶(EP300和EZH2),通过ChIP-seq得到了它们与基因组的结合情况。我们发现转录因子和表观遗传酶与染色质结合的动态变化与VEGF诱导染色质修饰的变化密切相关,尤其是活化型增强子和超级增强子。为了验证转录因子与基因组的结合和表观遗传状态的变化有利于VEGFA诱导的转录响应,我们研究了转录因子结合簇与差异性表达基因之间的关系。我们发现差异性表达基因在转录因子和EP300(不是EZH2)动态结合的序列特异性区域的附近高度富集,关联性强。表明转录因子与染色质的动态结合是调控VEGFA信号下游基因表达的重要机制。为了筛选内皮细胞中控制VEGFA靶基因转录的主要调控因子,我们将差异性表达基因、动态转录因子-增强子、动态增强子基序、动态增强子-差异性表达基因以及蛋白-蛋白的相互作用整合起来构建了一个转录网络。我们筛选出小MAF家族(Small MAF)家族成员:MAFK、MAFF和MAFG是主要的调控因子,并通过实验的方法对这个预测进行了验证。在Transwell小室实验(Transwell assay)中,用siRNA单独敲低MAFF或MAFG能够破坏VEGF诱导HUVEC的迁移,而MAFK的敲低则不能;当三个MAFs同时被敲低时,VEGF诱导的迁移几乎完全消失,相反过表达三个小MAFs则能够促进VEGF诱导的迁移。增殖实验表明,MAFF和MAFG(而不是MAFK)对VEGFA诱导的内皮细胞增殖同样重要,它们的过表达足以增强这一过程。小管形成实验(Tube formation assay)表明敲低MAFF或同时敲低三个MAFs都能导致小管形成的减少,而过表达MAFF或MAFG都能提高小管的形成数量。基质胶塞实验(Matrigel plug assay)的结果显示内皮细胞中MAFF、MAFG的缺失会减少细胞增殖,增加细胞凋亡,并抑制移植基质内的血管形成;而过表达的MAFF或MAFG则显著促进细胞增殖和新生血管的形成,抑制细胞凋亡。此外,过表达MAFs也募集宿主内皮细胞进入基质凝胶,而敲除则相反,进一步证明MAFs的促血管生成作用。这些结果表明小MAFs是血管新生过程中的关键调控因子。总之,以上结果表明VEGFA刺激可以迅速重塑基因远端的染色质状态进而调控靶基因转录和血管新生。