清華生命學院頡偉課題組發文報導哺乳動物早期胚胎譜系特異表觀...
2020-12-08 清華大學新聞網清華生命學院頡偉課題組發文報導哺乳動物早期胚胎譜系特異表觀基因組的建立過程及動態調控
清華新聞網12月8日電 12月5日，清華大學生命科學學院頡偉研究組在《自然-遺傳》期刊（Nature Genetics）以長文形式發表了題為《小鼠早期胚胎發育譜系分化過程中表觀基因組動態調控》（Dynamic epigenomic landscapes during early lineage specification in mouse embryos）的研究論文，系統報導了哺乳動物早期譜系分化過程中表觀遺傳信息是如何建立和動態調控的。
哺乳動物的器官及組織均是由一個全能性受精卵不斷分裂和分化而形成的。在受精後，很多親代的表觀遺傳信息如DNA甲基化等會被擦除，而子代的表觀基因組隨之重新建立。包括頡偉實驗室等研究組前期的工作證明，組蛋白修飾在胚胎著床前同樣大部分也會被擦除。在早期胚胎發育過程中，子代表觀遺傳信息如何建立並參與調控細胞分化發育是個體發育研究的基本問題之一。然而由於實驗材料的稀缺和細胞譜系分離的困難，人們對早期胚胎中細胞命運決定過程中表觀遺傳信息的建立和動態調控知之甚少。
圖1. a, 小鼠胚胎E3.5至E7.5早期胚胎發育譜系分化示意圖。b,小鼠早期胚胎Hoxa基因簇附近甲基化分布情況。c, 模式圖顯示受精卵至E7.5天早期譜系分化過程中甲基化動態變化。圖片摘自Zhang et al., Nature Genetics, 2017.
本研究中，研究者仔細分離了小鼠胚胎著床前後（E3.5至E7.5）發育過程中分化出的11種組織，並研究了該譜系分化過程中的轉錄動態變化。同時，利用前期與新加坡研究局合作實驗室開發的少量DNA建庫方法（TELP），研究者成功建立了一種全基因組單鹼基解析度甲基化檢測方法STEM-seq。以此為基礎，研究者獲得了以上組織單鹼基測序精度全基因組甲基化圖譜（圖1）。
研究發現，CG和CH甲基化位點均存在親本及譜系特異甲基化重建模式。其中胚內及胚外組織的甲基化水平在關鍵調控因子啟動子及DNA甲基化谷（DNA methylation valley）區域出現顯著差異。另外，利用實驗室前期開發的高靈敏染色質三維構象捕捉方法sisHi-C，研究人員檢測了早期胚胎發育過程中不同譜系染色質的高級結構，並發現著床前胚胎父本基因組去甲基化以及著床後胚外組織甲基化重建模式均與染色體高級結構區間（compartment）高度相關。而在後期的原腸運動過程中，不同胚層間甲基化動態調控主要發生在局部區域。通過尋找這些甲基化動態變化區域，研究者鑑定了這個時期可能的基因表達調控元件如增強子以及潛在的調控轉錄因子。最後，研究人員發現胚胎著床後甲基化重建過程以及譜系差異甲基化在體外發育的胚胎中可以較好的重現，提示這個過程並不完全依賴於胚胎的母體著床。綜上所述，以上研究系統地揭示了哺乳動物中早期胚胎譜系分化及細胞命運決定過程中表觀遺傳信息的建立和動態調控過程。
清華大學生命科學學院頡偉研究員為本文通訊作者。清華大學生命學院博士研究生張宇，生命科學聯合中心項目博士生向雲龍，科研助理尹強宗及生命科學聯合中心項目博士生杜振海為本文第一作者，新加坡研究局分子細胞生物學研究所徐豐課題組及成員彭旭在該工作中做出了重要貢獻。合作實驗室還包括中科院動物所李磊課題組及美國西奈山伊坎醫學院王建龍課題組。課題得到了清華大學實驗動物中心和生物醫學測試中心基因測序平臺的大力協助和支持。該研究獲得了國家重點專項研發計劃、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、國家自然科學基金、生命科學聯合中心、美國國立衛生研究院、新加坡A*STAR生物醫學研究基金、美國霍華德休斯醫學研究所經費支持。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41588-017-0003-x
供稿：生命學院 編輯：華山
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