复旦大学生物医学研究院表观遗传研究回顾

徐彦辉 蓝 斐 叶 丹 丁广进 徐国良

(复旦大学生物医学研究院 上海 200032)

专家简介徐国良,博士,研究员,博士生导师,中国科学院院士(2015年当选)。曾先后在德国马普分子遗传学研究所从事博士后研究,新加坡国立大学生命科学中心任实验室主任,哥伦比亚大学遗传发育系从事博士后研究,哥伦比亚大学医学系任副研究员,中国科学院上海生化与细胞研究所任研究员。2017年3月起任复旦大学生物医学研究院研究员兼执行院长。

主要研究方向为表观遗传学研究。所领导的课题组在DNA去甲基化的发生机制及其生物学意义上取得了具有理论意义的开拓性原创成果,在国内外相关领域产生重要影响,两次入选“中国科学十大进展”(2011年度、2016年度)。共发表论文74篇,以通信(共同)作者身份发表28篇,近5年代表性论文发表在Science、Nature、Cell、CellStemCell等国际知名学术期刊。申报专利2项。曾荣获上海市自然科学一等奖和陈嘉庚生命科学奖。

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复旦大学生物医学研究院表观遗传研究回顾

徐彦辉 蓝 斐 叶 丹 丁广进 徐国良△

(复旦大学生物医学研究院 上海 200032)

一般认为,表观遗传学是研究由非基因序列变化造成可遗传性状的科学,其所涵盖的调控形式广泛参与细胞生命活动的各个过程,并且在许多疾病的发生发展过程中具有重要的调控作用。人类基因组计划之后,表观遗传研究的一系列发现让人们意识到遗传信息调控的复杂性和精细性,该领域成为21世纪生命科学与医学领域最为活跃的研究方向之一。复旦大学生物医学研究院(Institute of Biomedical Sciences,Fudan University,简称“IBS”)依托于上海医学院,自建院之初就将“医学表观遗传学”列入重点研究方向,经过12年的发展,该方向上已经产生了一大批在国际上具有高影响力的原创性成果。这些成果对提升我国在世界范围内表观遗传领域的影响具有重要意义,同时对复旦大学生物医学相关学科的建设和人才培养做出了重要贡献。本文主要对复旦大学生物医学研究院在表观遗传领域取得的一批具有代表性的研究成果进行了总结与回顾。

复旦大学; 生物医学研究院; 表观遗传

2004年3月,复旦大学决策筹建生物医学“985工程”科技创新平台,在此背景之下,生物医学研究院(以下简称“IBS”)应运而生,细胞生物学和遗传学家贺福初院士受聘为IBS第一任院长,研究院于2005年5月21日正式揭牌运行。2007年9月,遗传学家贺林院士受聘为IBS第二任院长。2013年至2016年3月,分析化学家杨芃原教授担任常务副院长主持工作。2016年4月,著名心血管病学专家、中国科学院院士、中华医学会心血管病学分会主任委员葛均波出任生物医学研究院院长。2017年3月,著名表观遗传学家、中国科学院院士、中科院生化与细胞研究所研究员徐国良担任生物医学研究院执行院长。

IBS以创建“中国第一、世界一流的生物医学交叉学术研究机构”为奋斗目标,聚焦转化医学与精准医学,经过十余年的建设已经在生物医学交叉学科领域形成 “医学表观遗传学”、“代谢与肿瘤的分子细胞生物学”、“系统生物医学”3个优势方向。建院之初,引入施扬、熊跃、管坤良和石雨江等一批国际杰出科学家,通过创新性的“双聘模式”带来了前沿的学术思想和方法。在他们的推动和带领下,IBS经过十余年的建设与发展,目前在表观遗传领域已取得多项国际领先学术成果,并开辟了“表观遗传和代谢交互调控”的崭新方向。这些成果对提升我国在世界范围内表观遗传领域的影响具有重要意义,同时对复旦大学生物医学相关学科的建设和人才培养也做出了不可磨灭的贡献。

本文将全面系统地介绍过去10年IBS在表观遗传领域取得的亮点成果,限于资料收集可能的遗漏以及文章篇幅的限制,相关介绍无法面面俱到,或有疏漏之处还望读者谅解。

表观遗传学研究内容概述表观遗传学是衍生于遗传学的一门学科,早期的定义比较宽泛,一般用来解释经典遗传学不能解释的生命现象。最近20多年,随着科学家逐渐认识到一些表观遗传现象的本质依赖于染色质对基因表达调控的决定。当前较为大家接受的表观遗传学定义被表述为“不依赖于DNA序列变化而是由于染色质改变所产生的可稳定遗传的表型”[1]。目前,表观遗传学涵盖的研究领域包括:DNA甲基化、组蛋白修饰、组蛋白变体、染色质重塑和非编码RNA等。相比于序列固定的基因组,表观组的最大特点是其可塑性,正因为表观组的多样性才使得拥有相同基因组的细胞具有不同的功能,并且可通过可逆的方式积极响应周围环境变化。由于表观遗传调控广泛参与细胞的各个生命活动过程并且与许多疾病的发生发展密切关联,而且目前有多类参与表观遗传调控的关键因子已成为临床上疾病治疗的重要靶点,因而深入研究表观遗传调控的分子机制及其相关生物学功能具有重要的意义[2]。

代表性工作介绍

组蛋白甲基化动态调控以及识别的分子机制以及临床相关性 组蛋白赖氨酸甲基化是非常重要的表观遗传调控方式,主要由一系列组蛋白甲基转移酶和去甲基化酶调控,广泛参与基因转录调控。组蛋白甲基化异常与包括肿瘤在内的许多重大疾病密切相关,并且可以在不同类型的细胞中特异性的激活或者抑制基因的转录活性。2004年,哈佛大学施扬教授课题组鉴定到了首个组蛋白赖氨酸去甲基化酶LSD1,该成果发表在Cell杂志上,这项发现结束了长达40多年关于组蛋白是否可以去甲基化的争议,开启了组蛋白修饰动态调控的新领域[3]。

2005年,IBS建立之初,应首任院长贺福初院士邀请,施扬教授和石雨江教授成为复旦-哈佛双聘PI,并于2007年联合成立了IBS表观遗传实验室。在当时,很多催化酶类已被发现,但是表观遗传信号的生物学意义以及解读机制却急待研究。于是他们将研究方向定位在“表观遗传密码的识别和解读”方面。在和蓝斐课题组的长期合作中,做出了一系列创新性的科研成果:(1)增强子过度活化态以及和肿瘤转移的相关性。他们发现染色质修饰阅读蛋白RACK7/ZMYND8可识别增强子特征性组蛋白甲基化信号,并通过组蛋白去甲基化将增强子活性维持在正常范围。在肿瘤细胞转移时,该机制丢失,导致增强子甲基化升高,进入过度活化状态并引发附近癌转移基因失控[4]。在学术上,该研究发现了增强子过度活化态的分子基础,在临床问题中,该研究提示可通过抑制增强子甲基化水平控制部分肿瘤细胞转移。鉴于该成果的创新性与重要性,此项研究还荣获了“2016中国十大医学进展(基础研究)”;(2)组蛋白变体甲基化信号的识别方式以及与RNA剪切的相关性。施扬、石雨江与蓝斐合作团队发现了BS69/ZMYND8识别组蛋白变体H3.3甲基化,从而调控靶基因的mRNA剪切成熟。该成果帮助该领域首次认识到组蛋白H3.3变体上的甲基化信号不同于经典的H3.1上所携带的信号,并第一次鉴定了主要调控内含子延滞的表观遗传因子,并将组蛋白H3.3变体与RNA剪切联系起来。该机制在多类肿瘤发生中普遍缺失,改变了组蛋白变体甲基化在肿瘤研究中长期被忽视的状态,并首次将其与RNA剪切这一基本生命活动联系起来[5]。值得一提的是,蓝斐教授和施扬教授还因为上述研究受邀在PNAS杂志上发表相关综述文章[6];(3)组蛋白甲基化与DNA甲基化的交互调控机制。阐明了精氨酸甲基化特异性识别方式及其与指导DNA甲基化精确复制的分子机制[7];(4)揭示了一种染色质调控的“蝴蝶效应”。石雨江教授、施扬教授及谭理副研究员领导的研究团队揭示了一种染色质调控的“蝴蝶效应”:基因组DNA上微小的甲基化修饰(主要发生在胞嘧啶)被TET (ten-eleven translocation)家族蛋白氧化,启动DNA去甲基化反应,继而激发染色质组蛋白密码(histone code)的重编程,导致基因转录活性从“完全沉默”(silenced)的状态进入到“准备待发”(poised)的状态。这项工作一方面反映了高等生物染色质结构与基因转录调控的复杂性,另一方面也为肿瘤等复杂疾病的表观遗传调控网络异常与不同表观遗传调控通路之间的内在联系提供了新的分子机制解释[8]。

DNA甲基化动态调控的分子机制及组蛋白去甲基化酶的识别与活性调节机制 DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰。哺乳动物DNA甲基化主要发生在胞嘧啶第5位碳原子上,称为5-甲基胞嘧啶(5-mC),对基因表达、基因印记等发挥重要调控作用,其失调伴随多种疾病发生[9]。生物体中DNA甲基化是动态的,由DNA甲基转移酶在基因组上建立甲基化,TET家族蛋白氧化5-mC起始DNA去甲基化过程[10]。徐彦辉课题组围绕DNA甲基化动态调控蛋白以及组蛋白去甲基化酶的识别与活性调节开展了一系列结构功能研究:(1)首次报道了TET2和DNA底物的复合物晶体结构[11],阐明了TET蛋白发生催化反应,识别DNA底物的分子机制。发现并揭示TET蛋白对3种不同DNA底物有明显活性差异,很好地说明了细胞内5hmC水平远远高于5fC及5caC[12];(2)阐明了组蛋白激活DNMT3A调节DNA甲基化建立的分子机制[13]。阐明了UHRF1和DNMT1介导DNA甲基化维持的分子机制[14-15],与施扬课题组合作揭示了UHRF1蛋白水平随细胞周期动态变化的机制[16];(3)阐明了组蛋白去甲基化酶的识别及活性调节机制。发现LSD2存在“双底物识别位点”[17],与石雨江课题组合作阐明了NPAC蛋白激活LSD2酶活性的机制[18];发现LSD2具有E3泛素连接酶活性并抑制癌细胞生长[19]。上述发现较为系统地阐明了DNA甲基化调控蛋白以及组蛋白去甲基化酶LSD2的催化、底物识别和酶活性调控的分子机制,并为靶向抑制剂的设计提供了结构基础。这些成果得到了国内外同行的肯定,被Faculty1000、Cell、ScienceSignaling等作为研究亮点推荐给读者。徐彦辉所领导的团队因上述工作,获得了2016年教育部自然科学一等奖。

表观遗传和代谢交互调控的分子机制及其在肿瘤发生中的机制 2005年,IBS建立之初,应首任院长贺福初院士邀请,管坤良教授和熊跃教授成为复旦大学分时PI,于2006年共同组建了复旦大学分子与细胞生物学研究室(下简称“复旦MCB”)。在和赵世民、雷群英、叶丹教授等的长期合作中,该团队紧密围绕“代谢与人类疾病”,将部分研究方向聚焦于“蛋白翻译后修饰调控代谢”,取得了一系列原创性的科研成果[20-27]。

值得关注的是,绝大多数参与表观遗传调控的酶都以代谢中间产物为底物或辅因子,这预示着胞内代谢状态影响代谢物水平,进而实现对核内表观遗传的调控可能远远超过目前所了解的范畴。不仅小分子代谢物在全细胞的总量,而且在亚细胞区的浓度及调控,很可能在另一层次上调控表观遗传学修饰酶的功能。2009年至今,复旦MCB团队在“表观遗传和代谢交互调控”领域取得了一系列突出的学术成果。其中,具有代表性的成果包括:(1)发现在脑胶质瘤中高频率发生的IDH1 突变可显性抑制其催化酶活,减少细胞内酮戊二酸(α-KG)产生,直接导致脯氨酸羟基化酶PHD 活力受抑制,使其下游蛋白HIF1α 的蛋白降解受阻,进而激活HIF信号通路,促进肿瘤生长[28]。该研究首次提出代谢物可作为信号分子,调控细胞信号传导。Science杂志专门为此配发长篇评论,肯定其重要意义[29]。(2)发现2-HG 是一种结构上与α-KG类似的小分子代谢物,它可以竞争性地与以α-KG 作为底物的多种双加氧酶结合,包括组蛋白去甲基化酶KDM 和TET 家族5-甲基胞嘧啶羟基化酶,降低其酶活性,从而改变表观遗传和下游基因转录[30]。该研究在国际上首次提出“致癌代谢物”的概念,是迄今中国学者在CancerCell上发表的他引频率最高的科研论文。(3)发现Fumarate和Succinate 也与α-KG 结构非常类似,可作为α-KG 拮抗剂抑制KDM 和TET 活性,从而改变表观遗传和下游基因转录[31],该研究再次证实“致癌代谢物”的存在,揭示了代谢酶基因IDH1/2、FH、SDH 突变的共同促癌分子机制,被 Web of ScienceTM选为高引论文。(4)发现2-HG可抑制 ALKBH 家族 DNA 修复酶,揭示IDH突变肿瘤对烷基化化疗药物敏感的全新分子机制,表明除了表观遗传调控,基因组不稳定也很有可能是IDH 突变和2-HG促进肿瘤发生的重要原因之一[31]。上述一系列科研成果,开辟了表观遗传和分子代谢交互调控相关交叉学科研究的崭新领域。

结语经过十余年的努力,复旦大学IBS在表观遗传学领域形成了在世界范围内具有竞争力的研究队伍,取得了多项国际领先的学术成果,持续在国际顶尖期刊上发表创新成果,开辟了“表观遗传和代谢交互调控”的崭新领域。当前,IBS正处于快速发展时期,围绕表观遗传这一优势方向并不断引入交叉学科的优势力量,力争引领或开辟新的研究方向。展望未来,生物医学研究院将进一步凝练与“表观遗传和代谢交互调控”相关的研究方向、加大力度引进大量的海内外优秀人才、努力推动基础研究向临床应用转化,本着揭示生命科学最本质的基础研究与针对国家医药创新重大战略需求的应用研究相结合的原则,不断锐意进取,勇攀科学高峰,朝着成为以表观遗传为研究特色的国际一流研究所的目标奋斗。

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RetrospectofInstituteofBiomedicalSciencesofFudanUniversityonepigeneticsresearch

XU Yan-hui, LAN Fei, YE Dan, DING Guang-jin, XU Guo-liang△

(InstituteofBiomedicalSciences,FudanUniversity,Shanghai200032,China)

Epigenetics is the study of heritable traits that are not involved in the changes in DNA sequences.It has been widely recognized that epigenetics plays multiple regulatory roles in diverse cellular activities and is associated with the occurrence and development of a variety of diseases.Following the human genome project (HGP),discoveries in the field of epigenetics reveal the complexity and accuracy of genetic regulation.Institute of Biomedical Sciences (IBS),which is affiliated with Fudan University Shanghai Medical School,has been attaching great importance to “Medical Epigenetics” since the establishment of IBS. In the past 12 years,a number of influential discoveries in medical epigenetics have been made,raising China’s status in the field of epigenetics and contributing greatly to the disciplinary construction and talent cultivation of biomedical-related disciplines in Fudan University.In this review,a list of accomplishments in epigenetics in IBS were summarized.

Fudan University; Institute of Biomedical Sciences; epigenetics

Q34

A

10.3969/j.issn.1672-8467.2017.06.008

△Corresponding author E-mail:glxu@sibcb.ac.cn

2017-10-17;编辑:张秀峰)