组蛋白修饰调控猪骨骼肌卫星细胞成肌分化机制研究

发布时间：2020-04-22 22:34

【摘要】：猪骨骼肌卫星细胞在猪的肌肉发育及再生过程中起到极为重要的作用。在猪肌肉生成过程中,骨骼肌卫星细胞作为肌肉干细胞,通过激活、增殖分化形成肌管参与肌肉的发育和修复过程。已有研究表明,成肌过程中卫星细胞的增殖和分化受信号通路、转录因子及表观修饰等一系列因素的调控。其中,表观修饰通过改变组蛋白和转录因子的共价修饰及相应的染色质构象,激活成肌特异基因的表达,调控成肌祖细胞命运及卫星细胞不同状态之间的准确转换。目前对猪骨骼肌卫星细胞增殖和分化过程的表观遗传机制研究仍较少。因此,本研究使用新生仔猪进行原代骨骼肌卫星细胞分离及培养研究。结合RNA-Seq和ChIP-Seq技术对增殖和分化的猪骨骼肌卫星细胞基因转录及三种组蛋白(H3K4me3、H3K27ac和H3K27me3)和RNA聚合酶II(RNA polymorse II,RNAPII)的修饰模式进行综合分析,解析猪骨骼肌卫星细胞分化过程中组蛋白修饰调控基因差异表达的分子机制。主要取得了如下结果:(1)建立并优化猪骨骼肌卫星细胞原代分离及培养方法。本研究建立并比较两种骨骼肌卫星细胞分离方法,发现组织块消化法分离猪骨骼肌卫星细胞实验周期短,所获得细胞量大。且原代分离的猪骨骼肌卫星细胞增殖速度快,具有较强的肌源干细胞特性,诱导分化两天即可观察到大量明显的肌管形成。在培养基中添加白血病抑制因子、GSK3β和MEK1/2抑制物能够有效维持骨骼肌卫星细胞的干细胞特性,上调卫星细胞中PAX7的表达量。(2)鉴定了原代猪骨骼肌卫星细胞纯度、传代能力以及转染效率。研究表明,传代后的猪骨骼肌卫星细胞依然能够快速增殖,具有较强的肌源性分化能力。且转染后的GFP阳性卫星细胞统计结果表明,猪骨骼肌卫星细胞转染效率约为46%。此外,通过免疫荧光实验发现PAX7阳性的卫星细胞纯度约为93%,能够用于后期相关实验研究。(3)鉴定了成肌相关marker基因在猪骨骼肌卫星细胞分化过程中的表达模式。免疫荧光结果表明,PAX7和MYOD1均在增殖期卫星细胞中高表达,而MYOG和MYOSIN仅能够在分化的肌管中检测到。(4)深度挖掘并分析了猪骨骼肌卫星细胞基因表达图谱,构建了卫星细胞基因调控网络。转录组分析发现骨骼肌卫星细胞分化过程中有917个差异表达基因,其中上调表达基因511个,下调表达基因406个,主要富集在肌肉发育和细胞周期相关的生物学过程中,也发现部分组蛋白生成及染色质重塑相关的基因在细胞分化过程中差异表达。同时,5个上调表达基因和9个下调表达基因的qPCR结果表明卫星细胞中的基因表达差异与高通量测序数据分析结果相一致。(5)鉴定了三种组蛋白修饰(H3K4me3、H3K27ac和H3K27me3)和转录因子RNAPII在全基因组范围内的表观修饰模式,并检测到组蛋白修饰在卫星细胞分化过程中修饰程度显著下调,其中H3K27me3组蛋白修饰程度降低约50%,组蛋白结合峰从22060减少至11573个。且RNAPII修饰水平在转录起始位点和基因区剧烈下降,减少了3958个信号结合峰,进一步调节基因表达模式,促进猪骨骼肌卫星细胞肌源性分化。(6)绘制了基因转录和表观修饰模式图谱,并分析基因表达与三种组蛋白修饰及RNAPII之间的联系。H3K4me3和H3K27ac组蛋白修饰以及转录因子RNAPII主要标记活性基因的转录起始位点。而H3K27me3修饰则主要富集在染色质抑制区域,调节179个基因的转录表达。(7)解释了组蛋白修饰变化对基因差异表达的调控机制,表明在猪骨骼肌卫星细胞分化过程中,基因的上调表达伴随着明显的RNAPII和H3K27ac组蛋白修饰程度上升及H3K27me3组蛋白修饰降低。且H3K27me3组蛋白修饰与骨骼肌卫星细胞增殖相关基因的沉默密切相关。同时,H3K27me3修饰水平的降低促进139个成肌特异基因的上调表达,调控猪骨骼肌卫星细胞的成肌分化。综上所述,在猪骨骼肌卫星细胞分化过程中,成肌特异转录因子转录起始位点的H3K27me3组蛋白修饰程度下降,上调包括MYOG和MEF2C等基因的表达,进一步激活下游基因转录,促进卫星细胞分化及肌管形成。本研究结合转录组和组蛋白修饰模式分析猪骨骼肌卫星细胞成肌分化的分子机制,为阐明组蛋白修饰调控卫星细胞分化的表观遗传机制提供了新的线索。
【图文】：

示意图,肢体,胚胎,示意图

华中农业大学 2019 届博士研究生学位（毕业）论文骨骼肌的发育是一个复杂且有序的过程。在脊椎动物中，，骨骼肌的胚胎发育模式相似，除了一些颅面和食道肌，大部分肌肉均发育自中胚层（mesoderm）细胞。在胚胎发育的早期阶段，轴旁中胚层（paraxial mesoderm）的细胞受脊索和神经管的信号调节，以头至尾侧的方向分化形成暂时性的体节组织（somite）（Pourquie 2001,Pownall et al. 2002）。随后体节沿背腹轴方向分层形成背侧生皮肌节和腹侧生骨节。其中，背侧的生皮肌节进一步分化形成躯干和肢体骨骼肌组织，在成肌相关基因的调控下迁移至肢体相应部位形成成肌细胞，并进一步发育成骨骼肌组织（图 1）（Stockdale et al. 2000, Summerbell and Rigby 2000）。De Angelis 等人的相关研究表明，小鼠的骨骼肌干细胞出现在胚胎发育晚期，并且在出生后的肌肉生长期间高度活跃，为成年个体提供肌肉干细胞来源（DeAngelis et al. 1999）。

骨骼肌,结构示意图,卫星细胞

图 2. 骨骼肌结构示意图（Relaix and Zammit 2012）Figure 2. The structure of skeletal muscle.3.1 骨骼肌卫星细胞增殖发育研究进展近年来，骨骼肌卫星细胞的激活及增殖过程一直是研究热点。Pax3 和 Pax7为是卫星细胞命运决定的主要调控因子。其中 Pax7 在成年个体的卫星细胞中高达，而 Pax3 仅在膈肌等肌肉组织的卫星细胞中高表达，在其他肌肉中表达水平（Soleimani et al. 2012b）。Pax3 和 Pax7 作为成肌过程的两个上游转录因子，能过调控生肌调控因子（myogenic regulate factors, MRFs）的时空表达调节肌肉发程。Pax3 主要在肌肉的胚胎发育过程发挥作用，并通过结合 Myf5 的远程增强进干细胞激活转换为成肌细胞。Pax7 则在个体出生后的肌肉发育过程中起作用通过激活 MyoD 的表达促进细胞进入增殖状态（Olguin and Olwin 2004, Zammil. 2004）。研究表明敲除 Pax7 基因并不影响 Myf5 的基因转录，但会导致 MyoD
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S828

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