DNA胞嘧啶的去甲基化及碱基编辑在哺乳动物淋巴细胞中的作用研究

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脱氧核糖核酸(DNA)作为遗传物质,其携带的遗传信息直接指导了生物体的生长发育。胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),腺嘌呤(A)以及鸟嘌呤(G)是构成DNA一级结构的四大碱基。本文主要研究DNA胞嘧啶的甲基化/去甲基化修饰在哺乳动物淋巴细胞中的功能以及利用胞嘧啶脱氨基进行碱基编辑。  在哺乳动物中,DNA的甲基化修饰一般发生在CpG二核苷酸的胞嘧啶上,由DNA甲基转移酶DNMT在胞嘧啶的脱氧核糖核酸的第五位上添加一个甲基基团,形成5甲基胞嘧啶(5mC)。TET蛋白则能够介导5mC的氧化,促进DNA去甲基化以及产生新的表观遗传标记。通过构建Mb1-Cre Tet2-/-Tet3fl/fl条件敲除小鼠来探究Tet基因在B淋巴细胞分化和定向过程中的功能,以期完善B淋巴细胞定向分化机制。  研究发现,同时敲除Tet2和Tet3基因会造成骨髓中早期B细胞的发育被阻滞在祖先B细胞向前体B细胞分化的过程中。同时,Tet2和Tet3基因的缺失会导致IRF4表达显著降低,免疫球蛋白轻链kappa亚型基因座的转录和重排也受到抑制。通过重亚硫酸盐方法测定特定DNA位点的甲基化水平,发现Tet2/3缺失的祖先B细胞中Igκ的3增强子和远端增强子的甲基化水平明显上升。并且,在正常B细胞中敲低E2A或PU.1两个转录因子亦能造成这一现象。通过染色质开放性实验的研究,发现在全基因组水平上,Tet2/3的缺失导致了祖先B细胞中增强子的染色质开放性明显下降。更重要的是,通过在Tet2/3缺失的B细胞中重构有催化活性的TET2CD蛋白,则能够造成Igκ两个增强子的去甲基化,并且恢复正常的染色质开放性。这些研究提示TET蛋白和B淋巴细胞系特异性的转录因子共同调节DNA的修饰状态,从而影响了Igκ增强子的功能和染色质的开放性。  此外,由于胞嘧啶以及其他碱基的遗传突变与一系列人类疾病息息相关,而由于现阶段缺乏有效地研究遗传多样性的方法,导致无法在哺乳动物细胞中分辨有功能的突变。于是,基于DNA胞嘧啶脱氨基反应,设计出靶向诱导突变的TAM系统,即将激活诱导的胞嘧啶脱氨酶AID和核酸酶活性失活的dCas9蛋白融合,来有效地产生遗传多样性。在人慢性髓系白血病(CML)细胞株K562中,通过靶向致病性融合基因BCR-ABL,有效筛选到已知的和未知的新的突变,这些突变能够对治疗CML的药物伊马替尼产生耐受。因此,AID介导的靶向突变(TAM)技术是一个能够在单碱基水平产生有功能的突变的极为有效的遗传工具。  综上所述,本文通过研究DNA胞嘧啶的去甲基化修饰,揭示TET蛋白质在B淋巴细胞早期发育过程中的重要功能,望能为TET蛋白相关的淋巴系统疾病提供新的治疗思路。通过研究单碱基胞嘧啶编辑技术,为众多单基因突变导致的疾病提供了极为有效的治疗工具。
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