组蛋白修饰

造血干细胞髓系分化中相关基因组蛋白修饰特征的研究

造血干细胞是一种多潜能干细胞，具有自我更新和多向分化潜能。它的多向分化潜能限定于造血系统的全体细胞包括红系细胞、粒系细胞、巨核系细胞、以及T、B淋巴细胞等。伴随造血干细胞系特异分化的是多向分化潜能的丢失和系相关基因的活化与非相关基因的沉默。其具体的调控机制如何，目前尚不清楚。表观遗传学（epigentics）是研究不改变DNA序列而由于其外部修饰引起的基因开放与否的学科，涉及的主要机制有DNA甲基化、组蛋白修饰、基因印记、RNA干扰等。其中研究得最多是DNA甲基化和组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化，这些修饰与活化或失活染色质的结构形成相关。目前研究显示表观遗传修饰在胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESC）的多潜能性的维持和向各系分化的过程中发挥了重要作用，并提出了共价修饰的模型。而表观遗传修饰在造血干细胞的多潜能性的维持和系特异分化中对相关基因的调控作用尚不明确。因此本课题通过从与染色质状态形成密切相关的组蛋白修饰这个角度去观察造血相关基因在富集造血干细胞的CD34+CD38-细胞和系特异分化后细胞中的特征来探讨了染色质构象在造血干细胞多潜能特性的维持和系特异分化中对相关基因的调控作用，为造血发育、造血干细胞的体外扩增与移植和白血病发病机制的研究提供新的思路。本研究分为以下三部分。 第一部分脐带血来源的CD34+CD38-细胞的体外纯化和向各系的诱导分化 目的：建立一个可行的从脐带血中分选出

CD34+CD38-细胞的方法，并在体外摸索出有效的粒系、红系和巨核系的分化体系，为后续实验提供可靠的细胞标本。 方法：①采用免疫磁珠分选法（magnetic activated cell sorting，MACS）正性分选出CD34+细胞，再通过二次负性分选选出CD34+CD38-的细胞并用流式细胞术检测其纯度和用台盼蓝拒染法检测细胞活率。②在体外应用

SCF+IL-3+G-CSF或EPO或TPO细胞因子的组合分别诱导CD34+CD38-的细胞向粒系、红系以及巨核系分化。用细胞计数法绘制其各系细胞的增殖曲线及用流式细胞术检测诱导分化的效率。 结果：①用抗CD34磁珠第一次分选CD34+细胞后，CD34+细胞的纯度可达95.24±1.03％；第二次分选后，CD34+/CD38-细胞的纯度为90.23±2.52％。分选前后细胞活力为均可达99％以上。②体外诱导分化14天时，粒系细胞数增加了

1186.67±106.1倍，红系细胞数增加了894.67±48.22倍，巨核系细胞数增加了

627±49.65倍。③流式细胞术检测的结果表明，在诱导分化的第14天，CD15+细胞的比率为91.49％，CD235a+细胞的比率为95.55％，CD41a+细胞的比率为86.520％。 结论：我们建立了有效的MACS分选方法和体外诱导方法，这为我们后续的实验提供了可靠的细胞标本来源。 第二部分微小染色质免疫共沉淀方法的建立 目的：染色质免疫共沉淀

（chromatin immunoprecipitation assay，ChIP）是目前研究蛋白质与DNA相互作用的强有力的技术之一。然而目前的ChIP实验方法最大缺陷要求大量的细胞数，而我们分选的细胞很难达到这个要求。因此我们的目的是建立一种能在少量细胞中进行的ChIP实验方法，称为微小染色质免疫共沉淀（miniChIP）。 方法：综合国外相关文献，在传统ChIP方法的基础上建立miniChIP实验方法。并通过运用传统的ChIP实验方法和在此基础建立的miniChIP实验方法对诱导前后的MEL细胞中表达的β珠蛋白基因的不同位点的组蛋白4的乙酰化（acH4）水平进行研究，证实新建的miniChIP实验法方法的可靠性和特异性。Β珠蛋白基因的不同位点包括高敏位点2（HS2）、βmaj基因启动子区和Ey基因启动子区。 结果：在未处理的MEL细胞中，用miniChIP实验方法观察到HS2和βmaj基因启动子区域存在一定的acH4水平，而Ey基因的启动子区域则检测到极低水平的acH4水平。MEL细胞经过诱导后，HS2位点和βmaj基因启动子区域的acH4水平大大增加，分别增加了

2.87和2，26倍。Ey基因的启动子区acH4水平几乎没有变化。这与我们用传统ChIP实验方法观察到的实验结果一致，也与以前别的研究者用传统ChIP实验方法得出的结果相吻合。 结论：在传统ChIP实验方法的基础上建立了一种可以在少量的细胞中进行的ChIP实验方法称miniChIP。并在诱导前后的MEL细胞中对此方法进行了验证，证实了miniChIP方法的可行性和可靠性。 第三部分造血干细胞髓系分化过程中相关基因的组蛋白修饰特征 目的：观察造血分化相关的转录因子和基因在CD34+CD38-细胞中以及分化后细胞中的组蛋白修饰特征，探讨染色质构象在造血干细胞多潜能性特性维持和系特异分化中的可能作用。 方法：①采用qRT-PCR的方法检测了造血分化相关转录因子和基因在不同类型细胞中的mRNA表达水平。不同类型细胞包括CD34+CD38-细胞和诱导分化后的CD15+细胞、CD235a+细胞、CD41a+细胞。造血分化相关转录因子和基因包括早期造血相关转录因子HOXA9；粒系分化相关转录因子PU.1，粒系特异基因MPO、CD11b；红系巨核系分化相关转录因子GATA-1、红系特异基因EPOR和巨核系特异基因CD41a；淋系分化相

关转录因子GATA-3、PAX5，淋系特异基因CD3、CD79a。②我们用miniChIP-qPCR实验方法在不同类型细胞中观察并比较了造血分化相关转录因子和基因的启动子区的6种组蛋白修饰的变化。这6种不同的组蛋白修饰分别为活化性组蛋白修饰包括组蛋白3的乙酰化（acH3）、组蛋白4的乙酰化（acH4）、组蛋白3第4位赖氨酸的二甲基化（H3K4me2）、组蛋白3第4位赖氨酸的三甲基化（H3K4me3）和抑制性组蛋白修饰包括组蛋白3第9位赖氨酸的三甲基化（H3K9me3）、组蛋白3第27位赖氨酸的三甲基化（H3K27me3）。 结果：①在CD34+CD38‘细胞中各系分化相关转录因子和基因存在低水平的mRNA表达或不表达，而与早期造血相关的转录因子HOXA9显示高表达。当CD34+CD38-细胞向粒系特异分化后，粒系相关基因PU.1、MPO、CD11b表达明显增加；CD34+CD38-细胞向红系特异分化后红系相关基因GATA-1、EPOR表达明显增加；CD34+CD38-细胞向巨核系特异分化后巨核系相关基因GATA-1、CD41a表达显著增加。同时CD34+CD38-细胞系特异分化后非系相关基因未能检测到，以及HOXA9基因的表达显著下降；②在CD34+CD38-细胞中各系分化相关转录因子和基因都有一定水平的acH4的修饰和稍低水平的acH3的修饰以及高水平的H3K4me2的修饰，但H3K4me3修饰水平很低。③在CD34+CD38-细胞中各系分化相关转录因子和基因都具有低水平H3K9me3和H3K27me3的修饰；④随着CD34+CD38-细胞系特异分化后，该系特异基因的acH3、acH4和H3K4me2水平略为增加，但H3K4me3的水平明显增加，同时H3K9me3和H3K27me3修饰仍维持在低水平。非系特异基因的acH3和acH4修饰水平降低，H3K4me3修饰仍维持在低水平，同时有H3K9me3或/和H3K27me3水平的显著增加；⑤在CD34+CD38-细胞向终末细胞分化后，与早期造血相关的转录因子HOXA9的启动子区上活化性组蛋白修饰包括acH3、acH4、H3K4me2、H3K4me3显著降低，同时抑制性组蛋白修饰包括H3K9me3和

H3K27me3明显增加。 结论：①在富含造血干细胞的CD34+CD38-细胞中各系分化相关基因具有一定水平的H3、H4的乙酰化修饰、高水平的H3K4me2修饰以及低水平的

H3K4me3修饰和低水平的组蛋白抑制性修饰。这些基因表现为低水平表达或者检测不到表达。②当CD34+CD38-细胞系特异分化后，系相关基因的acH3、acH4、H3K4me2修饰水平维持不变或者略微增加，但H3K4me3修饰水平明显增加，同时保持低水平的抑制性组蛋白修饰，基因表现为高转录状态，而非系相关基因的启动子区上acH3、acH4的修饰

水平降低，H3K4me3水平任然维持在低水平状态，但富集了高水平的抑制性的组蛋白修饰标志，基因表现为沉默。③当CD34+CD38-细胞向终末细胞分化后，与早期造血相关的基因HOXA9的启动子区上H3K4me3的修饰水平降低，但抑制性组蛋白修饰标志显著增加，表现为基因表达的沉默。 作者 唐华容

学科专业 内科学

授予学位 博士

授予单位 中南大学

导师姓名 陈方平

学位年度 2009

关键词 白血病 造血干细胞 组蛋白修饰转录因子 基因表达