頡偉孟安明等在《分子細胞》發表斑馬魚配子及早期胚胎組蛋白修飾...

頡偉孟安明等在《分子細胞》發表斑馬魚配子及早期胚胎組蛋白修飾重編程研究成果

---

清華新聞網11月20日電  11月15日，清華大學生命學院頡偉研究組與孟安明研究組緊密合作，在《分子細胞》（Molecular Cell）期刊發表題為《親本合子轉換期廣泛的增強子去記憶化和啟動子預備化》（Widespread enhancer dememorization and promoter priming during parental-to-zygotic transition）的研究論文，揭示了斑馬魚親本合子轉換期表觀基因組「擦除和重寫」的轉變模式。這一重要發現不僅有助於我們理解斑馬魚早期胚胎表觀基因組多步驟建立的機制，也闡明了脊椎動物表觀基因組重編程過程的保守性和物種差異性。

斑馬魚配子及早期胚胎合子基因組激活前後組蛋白修飾的調控模式

在動物個體發育過程中，表觀基因組對時空特異的基因調控起到了十分重要的作用。表觀遺傳學的一個核心問題就是親本的表觀基因組能否遺傳給下一代以及子代第一個表觀基因組如何建立。前期小鼠和人類研究結果表明，很多親本表觀遺傳信息在受精之後都被擦除，只有部分表觀遺傳信息會保留下來並發揮重要作用。然而，表觀基因組重編程模式在不同物種之間是否保守，是否存在物種特異的顯著差異是領域內一個非常重要的生物學的問題。

斑馬魚作為常用的發育生物學模式生物，為研究上述兩個問題提供了一個非常理想的平臺。斑馬魚的早期發育過程與哺乳動物具有以下差異：首先，斑馬魚合子基因激活（ZGA，zygotic genome activation）發生較晚（在1000細胞期前後），能為研究早期胚胎發育中親本-子代轉換研究提供充足胚胎細胞和時間；其次，斑馬魚精子染色體不存在魚精蛋白-組蛋白交換過程，其早期胚胎發育過程中也沒有廣泛的DNA去甲基化過程。為了開展這一研究，清華大學頡偉研究組利用其課題組研發的染色質免疫共沉澱技術(STAR ChIP-seq) (Zhang et al., Nature, 2016)，實現了在少量細胞水平上進行組蛋白修飾的檢測。進而與清華大學生命學院孟安明研究組緊密合作，並通過孟安明實驗室最近發表的斑馬魚卵母細胞原位顯微注射技術（OMIS，Oocyte Microinjection in situ）(Wu et al., JMCB, 2018)，揭示了斑馬魚配子及早期胚胎發育過程中組蛋白修飾重編程的調控規律。

通過對斑馬魚配子及早期胚胎中的組蛋白修飾的研究，研究人員首先系統地檢測了組蛋白修飾H3K4me3、H3K27ac、H3K27me3和H3K36me3在精子、卵子、4細胞時期、256細胞時期和穹頂期胚胎基因組內的分布特性。這些實驗結果發現，親本增強子區域的表觀遺傳學記憶會在受精前後快速的擦除。令研究人員驚訝的是，精子基因組增強子上的這種「去記憶化（dememorization）」甚至在受精之前就已經開始發生。卵子基因組的去記憶化則主要發生在受精之後。子代增強子的表觀遺傳標記則是在基因組激活前後（1000細胞）開始建立。與此不同的是，啟動子區早在4細胞時期就會大量出現組蛋白乙醯化，提示啟動子區域會進入一種提前預備的狀態。一旦ZGA發生，這些提前預備的啟動子將會被進一步修飾並進入啟動或抑制程序。為了研究這種啟動子提前乙醯化的可能功能，研究人員進行了母源敲低三個關鍵組蛋白乙醯轉移酶。這種敲低導致了胚胎乙醯化的降低並引起基因組激活的異常以及胚胎死亡。

進一步研究發現，這些啟動子的預備和啟動主要由母源因子調控。依據以上研究結果，研究人員提出了親本合子轉換期增強子去記憶化和啟動子預備化的表觀遺傳學重編程模式。因此，這項工作揭示了不同脊椎動物物種親本-子代轉換中表觀基因組重編程保守的「擦除-重建」的機制以及所採用的不同模式。

清華大學生命學院頡偉研究員和孟安明教授為本文通訊作者，清華大學生命學院2013級博士生張冰潔，2011級博士畢業生吳小童，以及CLS項目2012級博士畢業生張文昊為本文共同第一作者。該課題得到了清華大學實驗動物中心，生物醫學測試中心基因測序平臺以及計算平臺的大力協助和支持。該研究獲得了國家科技部重點研發計劃、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、國家自然科學基金委優秀青年基金、國家自然科學基金委傑出青年基金、生命科學聯合中心以及美國霍華德休斯醫學研究所國際研究學者（HHMI International Research Scholar）的經費支持。

論文連結：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(18)30877-3

 供稿：生命學院 編輯：宋亮 審核：襄楠