1、项目名称： 肿瘤和神经系统疾病的表观遗传机制首席科学家： 裴钢 中国科学院上海生命科学研究院起止年限： 2005.12至 2010.11依托部门： 中国科学院一、研究内容关键科学问题本项目将探索和回答：细胞内 DNA 甲基化和染色质修饰的表观遗传谱式的建立及其动态平衡的维持机制；表观遗传信息对基因的选择性表达和对生命活动的调控机制；表观遗传失调在肿瘤和神经退行性疾病发生、发展中的作用机制。研究内容本项目组织了国内优秀团队，分四个部分八个课题，开展从基础到临床， 临床到基础两个方向的研究，将 细胞增生性疾病（肿瘤）和（神经）细胞退行性疾病与正常生命活动过程的表观遗传学研究有机结合起来。第一部分采
2、用模拟正常生理状态的细胞、动物模型，从分离筛选调控染色质修饰的因子出发，研究细胞如何建立和维持表观遗传谱式的机制，阐明负责细胞增殖、分化与功能特化的关键基因在染色质水平上的转录调控规律。第二部分从基础和病理两个方面研究肿瘤细胞去分化及无节制增殖的表观遗传学基础，揭示肿瘤发展的不同阶段 DNA 甲基化和染色 质重塑的异常及其动态变化。第三部分研究神经细胞生长、分化和死亡过程的表观遗传调控机制，揭示神经退行性疾病发生、发展各 阶段中重要功能基因 DNA 甲基化、组蛋白修饰及染色质重塑的动态变化特征，研究引起神经细胞定向分化及病变的环境因素对表观遗传网络的影响。第四部分针对正常细胞生长分化与疾病状态
3、下基因组甲基化谱式重编的普遍性和重要性，以表观基因组平台和生物信息学分析为手段，结合基础和临床研究资料，规模化系统鉴定发生表观遗传调控异常的疾病相关基因，确定这些基因在药物筛选与诊断治疗方面的意义。本项目四个部分，分别侧重于表观遗传学基础问题、肿瘤细胞去分化与增生、神经退行性疾病中神经元的分化与死亡和高通量生物信息学分析，进行较系统的表观遗传学研究，既突出重点，又相互促进。二、预期目标总体目标：本项目瞄准肿瘤与神经退行性疾病的表观遗传学基本问题，整合国内优秀团队，通 过从基础到临床，临床到基础二个方向的研究，从染色质水平上揭示表观遗传调控缺陷及其动态变化与胃癌、结肠癌、乳腺癌等肿瘤及以老年痴呆
4、症为代表的神经退行性疾病发生、 发展的关系；阐明引起相关功能基因发生表观遗传调控紊乱的关键信号分子、途径及网络；绘制一个正常生长分化过程中细胞响应内外因子变化而发生分化、功能特化及死亡，连接受体、转录因子、转录调控顺式元件及染色质修饰酶的运行通路，从而建立研究病理变化的参照系统；获得一批有自主知识产权的重要成果，以期发现一些针对几类重要肿瘤和神经退行性疾病的药物作用靶点，为这 些人类重大疾病的预防、诊断作出贡献。五年目标：1） 形成三个针对相关重大疾病表观遗传学分子基础的研究体系：1） 从分子、细胞到动物水平，研究生长发育过程中参与表观遗传调控的因子、途径及相互作用网络，建立生理状态下表观遗传
5、调控研究的理论模型，作为疾病状态下表观遗传调控研究的参照体系。2） 鉴定表观遗传调控紊乱的肿瘤相关基因并阐明它们影响细胞去分化和无节制增殖的作用机理。3） 神经元生长、分化与死亡过程中，在信号 转导分子作用下实现功能基因表观遗传调控的分子基础，鉴定逆转表观遗传调控异常的关键位点。2鉴定三种以上可供相关肿瘤、神经退行性疾病诊治的重要标识物，发现一些潜在新药开发靶点，申请 5 项以上发明专利。3在国际一流杂志（IF10）发表论文 8 篇以上，在有影响力的杂志（IF5）上发表论文 50 篇以上。三、研究方案总体研究思路本项目围绕关键科学问题，利用多种细胞、 动物模型和大量临床标本，采用分子生物学、细
6、胞生物学方法，结合和发展高通量表 观遗传组学和生物信息学分析技术，开展从基础到临床，临床到基础两个方向的研究，将细胞增生性疾病（肿瘤）和（神经）细胞退行性疾病与正常生命活动过程的表观遗传学研究有机结合起来。力争在肿瘤和神经退行性疾病发生、 发展的表观遗传机制上获得理论突破，发现若干可供上述疾病临床诊断的标识物和潜在的新药研究靶点。本项目分为四部分八个课题，每部分含两课题。第一、二 课题侧重于表观遗传学的基础问题，研究生长发 育过程中 DNA 甲基化 谱式建立和维持的机制以及染色质结构变化与基因功能这一基因调控领域的核心问题，这些课题的研究成果将为相关疾病的研究建立生理参照体系。第三、四课题重点
7、研究肿瘤发生、 发展中的 DNA 甲基化异常和染色质重塑特点；第五、六课题针对表观遗传作用明显的神经退行性疾病；上述四个课题将从基础和临床结合的角度阐明肿瘤与神经退行性疾病生物学表型发生、发展的表观遗传学基础。第七、八 课题着眼于规模化鉴定发生表观遗传调控异常的上述疾病相关基因，同时课题研究过程中建立和完善的技术方法将促进其它课题的研究进展。基本问题疾病发生、发展机制以DNA甲基化、染色质修饰、重塑为核心的表观遗传调控网络第二部分肿瘤发生、发展的表观遗传机制课题3：DNA甲基化异常与肿瘤的发生、发展课题4：染色质重塑与肿瘤的发生、发展课题1：DNA甲基化谱式建立和维持机制课题2：染色质结构与功
8、能第一部分表观遗传谱式建立和维持的机制课题8：DNA甲基化异常的肿瘤相关基因的鉴定及临床意义课题7：肿瘤等重大疾病的全基因组甲基化位点的多态性第四部分表观遗传组学技术平台及其应用第三部分神经退行性疾病的表观遗传机制课题5：神经元分化与再生的表观遗传学机制课题6：细胞信号转导对表观遗传网络的调节作用肿瘤和神经系统疾病的表观遗传机制本项目参与研究者在所采用的模型系统上都有多年的研究积累，来自临床医疗研究机构的研究者收集分类了大量的宝贵临床资料，这些研究者近年在表观遗传学领域的研究中利用这些模型、临床资料取得了令国际瞩目的研究成果，显示了很强的研究创新实力，是保证本项目顺利实施的基础，通过进一步的深
9、入探索，相信定能在肿瘤和神 经退行性疾病的表观遗传致病机制上有新的理论突破，并获 得有具有应用价值 的疾病标识物和潜在新药研究靶点。课 题 一、DNA 甲基化谱 式的建立与维持 负 责 人 ：徐国良，研究员， 40岁，中科院上海生科院生化与 细胞所曹晓风，研究员，39岁，中科院 遗传与发育所学 术 骨 干 ：鲍时来，副研究员， 40岁，中科院 遗传与 发育所研 究 目 标 ：分离鉴定调控DNA甲基化谱式形成的反式因子 （如小分子RNA、DNA结合蛋白以及识别特定组蛋白修饰的蛋白）和顺式作用元件，阐明生长发育过程中重要功能基因发生甲基化水平动态变化的内在规律及基因组特异性甲基化谱式建立与维持的分
10、子机制,以及这种内在规律与肿瘤等疾病的发生、发展的关系，为这些疾病的诊断和防治提供理论依据。在国际一流杂志（IF10 ）发表论文2篇以上，在有影响力的杂志（IF5）上发表论文5篇以上。研 究 内 容 ：在多能性畸胎瘤细胞中分离先导性甲基化酶Dnmt3a/Dnmt3b蛋白复合体, 在拟南芥中筛选发生甲基化缺陷的突变体，鉴定参与甲基化的基因与蛋白。通过RNAi等手段验证新发现的因子在胚胎干细胞体外诱导分化中功能基因甲基化过程中的作用。再利用小鼠转基因和基因剔除实验分析证实这些新颖因子在动物生长发育过程中基因组甲基化谱式重编中的作用。预 算 经 费 ：17课 题 二 、染 色 质 结 构 与 功 能
11、负 责 人：周金秋，研究员， 39岁，中科院上海生科院生化与 细胞所学术骨干：韦玉生，副研究员， 30岁，中国医科院基础医学所谢幼华，研究员，36岁，中科院上海生科院生化与细 胞所研究目标：揭示细胞内识别特定染色质区域而启动异染色质化进程的机制，揭示组蛋白不同位点修饰和不同类型修饰的组合随着细胞内外环境因子的不同而变化的机制；阐明基因簇中各基因阶段性表达的表观遗传调控机制；明确调控DNA 甲基化和组蛋白修饰的关 键因子的生物学功能；发表IF10 的论文1-2篇，IF5 的论文6-8篇。研究内容：利用酵母端粒异染色质的形成沉默附近基因的系统，研究DNA 甲基化与组蛋白各种修饰之间的时空关系，为研
12、究高等生物染色体的非活性区DNA甲基化与异染色质化的关系开辟新的途径。同时，利用重要物质代谢关键调控基因和基因簇表达调控网络为模型系统，研究基因调控区在不同细胞内外条件下染色质组分的修饰及其规律性组合变化与基因转录活性的关系；探索调控这些染色质组分修饰变化的关键调控因子/ 辅因子/ 染色质组分修饰酶组合及其调控机制以及它们在体内具有的生物学功能。利用小鼠转基因或基因剔除技术，研究发现的新调控因子体内的生物学功能以及与疾病发生、发展的可能联系。预 算 经 费 ：17.5课 题 三 、DNA 甲 基 化 异 常 与 肿 瘤 发 生 发 展负 责 人：朱卫国，教授，42岁，北京大学医学部邓大君，教授
13、，44岁，北京大学 肿瘤学院学术骨干：周 静 ，主 管 技 师 ，33岁 ，北 京 大 学 肿 瘤 学 院研究目标：筛选胃癌和结肠癌细胞中甲基化诱导失活的肿瘤抑制基因，分析DNA甲基化模式与基因表达的关系，明确甲基化结合蛋白(MBD)在DNA甲基化诱导基因失活中的关键作用，确定与MBD 相互作用的反式作用元件；明确特定基因异常甲基化与肿瘤发生的时空关系，用特异的肿瘤抑制基因的甲基化分析来预测上皮异型增生癌变的潜能，为肿瘤发生和癌前病变的诊治提供理论基础。在国际生物，医学杂志上发表文章： IF10以上的文章 1篇,IF5 的文章5篇。鉴定一种可供相关肿瘤诊治与新药开发等研究的重要靶标系统，申请1
14、项以上发明专利，促进开发有自主知识产权的新药及产业化。研究内容：建立肿瘤细胞中特异肿瘤抑制基因甲基化导致基因失活的表观遗传学模型，确定甲基化密度及特异结合位点甲基化的状态，检测肿瘤抑制基因在甲基化状态下的表达情况，确定MBD 与特异甲基化 结合位点结合的情况；选择患者上皮异型增生病灶DNA ，分析肿瘤抑制基因的甲基化情况，随访调查肿瘤抑制基因的甲基化与肿瘤发生发展的关系；建立异常甲基化细胞原位显示方法，研究异常甲基化与肿瘤发生的时空关系；通过人工合成甲基化DNA结合蛋白，建立甲基化失活基因特异性逆转方法。预算经费： 11.5课 题 四 、染 色 质 重 塑 与 肿 瘤 发 生 发 展负 责 人
15、：尚永丰， “长江学者”教授，41岁，北京大学医学部黄百渠， “长江学者”教授，56岁， 东北师范大学学术骨干：曾宪录，教授，45岁，东北师范大学研究目标：在核受体介导的基因转录调控中对染色质重塑的形式和机理、染色质重塑在性激素相关肿瘤的变化形式与特点等方面取得进展；在肌动蛋白参与染色质重塑和基因转录调控、乙酰化去乙酰化参与热休克蛋白基因、细胞周期相关 调控的机制、 认识组蛋白乙 酰化修饰在表观遗传调控机制中的作用等方面将取得部分突破，产生一批具有原创性的研究成果。在国际有影响的学 术刊物上发表论文，其中IF5 的论文57篇，IF10的论文2篇以上。建立起有效的筛选具有抗癌活性的组蛋白去乙酰化
16、酶抑制剂的方法和技术平台，并获得一批（510个）HDI抗癌药物的先导化合物。研究内容：选择严重影响我国人名身体健康的一些主要恶性肿瘤，包括乳腺癌、子宫内膜癌和前列腺癌等，以 肿瘤细胞系、 肿瘤组织结 合正常组织为模型，以雌激素受体和雄激素受体的早晚期靶基因为对象验证“ 组蛋白密码由启动密码和转录密码两部分组成” 的假说 ；以雌激素受体及其相关肿瘤乳腺癌和子宫内膜癌、雄激素受体及其相关肿瘤前列腺癌为模型，探讨肿瘤细胞染色质结构变化与“组蛋白密 码”变化的特点及这些变化与基因表达和肿瘤发生发展的关系，了解染色质重塑在肿瘤细胞由“ 量” （染色质 重塑形式）变到“质”（对基因表达的影响）变，进而影响
17、细胞表型变化的机理；在原有工作的基础上，进一步探讨核受体协同激活因子AIB1和染色质重塑因子BRCA1在乳腺癌发病中的机理；进一步深入探讨乙酰化/去乙酰化修饰调 控的分子机制及进行特异性去乙酰化酶抑制剂的筛选及其抗肿瘤活性研究。预算经费： 12.5课 题 五、神经元分化与再生的表观遗传学的机制 负 责 人：朱大海，教授，48岁，中国医科院基 础医学所 /中国协和医科大学学术骨干：张业，研究员，39岁，中国医科院基 础医学所 /中国协和医科大学研究目标：确定表观遗传网络对神经细胞生长、分化、再生等重要生命现象的调控作用方式与分子机制。获 得与神经退行性疾病发生发展、神经细胞定向分化不同阶段相关的具有表观遗传调控特性的功能基因，建立研究表观遗传因素在神经系统生长发育及疾病发生发展规律的细胞和动物模型，最终为神经退行性疾病的表观遗传治疗和神经干细胞治疗提供理论基础。 发表IF5.0的论文5-6篇，IF10的论文1-2篇。研究内容：建立神经细胞系和/或神经干细胞定向分化模型。利用不同 细胞因子等刺激神经细胞系和/ 或神经干细胞发生分化，检测细胞形态和分子标记物以建立和完善神经细胞分化模型；应用染色质免疫沉淀技术和
