近日，鄭州大學第一附屬醫院孫瑩璞/徐家偉課題組、清華大學生命科學院頡偉課題組合作研究揭示了人類早期胚胎發育組蛋白修飾重編程規律，發現人類早期胚胎發育染色質獨特的親本到合子表觀基因組的轉換模式，提出「Epigenome rebooting（表觀基因組重啟）」模型。
研究成果以「Resetting histone modifications during human parental-to-zygotic transition」（人類親本-合子轉變中組蛋白修飾重編程）為題，以研究論文的形式於2019年7月4日在Science（《科學》）在線發表。
鄭州大學第一附屬醫院孫瑩璞教授、清華大學頡偉研究員以及鄭州大學第一附屬醫院徐家偉教授為本文通訊作者，夏煒坤博士（清華大學）、徐家偉教授（鄭州大學第一附屬醫院） 、於廣博士（清華大學）、姚桂東副研究員（鄭州大學第一附屬醫院）為本文共同第一作者。
表觀遺傳學修飾參與基因表達調控並調控個體發育。在哺乳動物早期發育過程中，卵母細胞受精形成具有全能性的受精卵，並經過細胞分裂與分化形成植入前囊胚，後者包含具有多能性的內細胞團。伴隨著發育的進行，表觀遺傳學修飾經歷了劇烈的重編程。
近年來，以小鼠等模式生物為研究模型，DNA甲基化、染色質開放性、染色質高級結構以及組蛋白修飾等表觀遺傳學特徵的動態變化過程和規律都逐漸被揭示。在小鼠卵細胞發育晚期組蛋白修飾H3K4me3和H3K27me3會以非經典的形式分布，並通過母源繼承的方式傳遞到胚胎中調控子代的基因表達和發育。
由於人類卵細胞和早期胚胎樣本稀缺性以及極低量細胞組蛋白修飾技術的缺乏，人類早期胚胎發育中組蛋白修飾的重編程規律以及功能並不清楚。
研究團隊優化並建立了可識別低至50個細胞中的組蛋白修飾染色質定向捕獲分割技術（CUT&RUN），並針對人類早期胚胎樣本進行了優化，進一步在人類卵母細胞、合子基因組激活（ZGA）前後胚胎和內細胞團等時期檢測了H3K4me3和H3K27me3的動態變化，在ZGA後的胚胎中檢測了H3K27ac的分布：研究發現人類早期胚胎發育過程中的組蛋白重編程經歷了和小鼠不同的動態變化。
在人卵細胞中，H3K4me3沒有呈現非經典的分布模式，而依然集中分布於基因的啟動子區域。同時，H3K27me3依然富集於它的經典靶位點—發育基因的啟動子區域。在受精後，不同於小鼠中母源H3K27me3能維持較長的時間，人類的H3K27me3在ZGA前被大規模地去除；H3K4me3則在ZGA前出現在許多啟動子區域以及基因遠端開放區域。
圖一、人類卵子與早期胚胎H3K4me3/H3K27me3/H3K27ac基因組分布
ZGA後隨著H3K4me3轉變為經典分布的形式和隨後H3K27me3的重新建立，這些區域會分解成為激活或抑制的狀態。研究團隊發現ZGA前的H3K4me3建立和DNA的序列特徵有很好的相關性，並在部分程度上具有類似小鼠卵細胞中非經典H3K4me3的特徵，H3K4me3的出現也伴隨著這些區域染色質開放的建立。研究團隊將這種H3K4me3稱之為預備性的H3K4me3（priming H3K4me3）狀態，將 ZGA前的染色質狀態稱之為「默認」狀態，並提出「表觀基因組重啟」模型：精子、卵子受精後，人類早期胚胎清除親本的表觀遺傳記憶（內存清理），重構初始化狀態（加載基礎架構），重建表觀基因組調控細胞分化（加載高級功能模塊）。
圖二. 胚胎發育Epigenome 「rebooting」模式
已有小鼠的研究表明，母源的H3K27me3調控DNA甲基化非依賴性的基因印記，那麼這一現象在人類中是否保守呢？通過分析小鼠中H3K27me3依賴的基因印記同源基因以及XIST，發現絕大多數基因沒有被H3K27me3標記，即使少數基因被H3K27me3標記但是也不表達，因此這些基因不大可能受到母源遺傳的H3K27me3調控，H3K27me3在人類ZGA前被大規模去除，也沒有調控XIST的表達和X染色質失活，因此也不太可能作為一種基因組印記形式。人類和小鼠H3K4me3和H3K27me3重編程的差異可能和相關修飾酶在物種間差異性的表達有關，研究表明人類早期胚胎發育中的組蛋白重編程具有高度的物種特異性。
圖三、人胚胎ZGA後H3K27me3擦除及與XIST定位
獲悉胚胎基因組激活前「基因組重啟」 後，團隊進一步關注胚胎ZGA後轉錄調控通路，採用MARINa算法尋找了發育階段特異性的轉錄激活因子，令人驚喜的是「分化轉錄通路圖譜」正確預測了已知的胚胎細胞向EPI, PE 和TE分化相關轉錄調控因子，並鑑定了新的潛在轉錄因子可能調控細胞分化;團隊進一步研究通過D5、D6和D7囊胚的TE與ICM發現ICM和TE不對稱的表觀遺傳類型。研究團隊結合染色質圖譜和已發表的單細胞轉錄數據，預測了人類各譜系的關鍵調控因子。並發現在人囊胚的內細胞團和滋養外胚層中，許多內細胞團（包括上胚層和原始內胚層）的特異基因會被H3K27me3所標記，而滋養外胚層的特異基因則幾乎沒有這樣的標記，揭示不同譜系基因在早期發育分化過程中具有差異性表觀遺傳調控，這種標記模式可能和不同譜系命運決定的差異相關。
該研究系統分析了人類早期胚胎組蛋白修飾重編程規律，闡明了人類特有的組蛋白修飾動態變化規律，揭示了「表觀基因組重啟」機制，研究成果對於認識人類生命起始以及輔助生殖技術中胚胎的早期發育和調控規律具有重要理論意義。該研究獲得了國家自然科學基金委、國家科技部、北京市科委和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等多個項目的支持，同時該課題得到了河南省科技廳生殖與遺傳重點實驗室、河南省婦產疾病（生殖醫學）臨床醫學研究中心，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。北京大學前沿交叉學科研究院博士生許鍇、鄭州大學第一附屬醫院馬雪山和博士生張楠在課題中做出了重要貢獻。合作實驗室還包括清華大學那潔課題組。
近年來鄭州大學孫瑩璞/徐家偉課題組在人類早期胚胎發育與遺傳病子代傳遞阻斷領域做出重要貢獻，推動了生殖醫學與胚胎植入前遺傳學診斷學科發展:
團隊代表性工作：
1. Resetting histone modifications during human parental-to-zygotic transition, Science, 2019
2. Chromatin analysis in human early development reveals epigenetic transition during ZGA. Nature 557.7704 (2018): 256-260.
3. Mapping allele with resolved carrier status of Robertsonian and reciprocal translocation in human preimplantation embryos." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 114.41 (2017).
4. 5-methylcytosine promotes mRNA export — NSUN2 as the methyltransferase and ALYREF as an m5C reader, Cell Research volume 27, pages 606–625 (2017)
通訊員：曹詠