Nature深度解讀!胚胎發育過程中的表觀遺傳特性和細胞多樣性!

2020年8月17日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，一項刊登在國際雜誌Nature上題為「Epigenetic regulator function through mouse gastrulation」的研究報告中，來自馬克斯-普朗克研究所等機構的科學家們通過研究揭示了在胚胎發育過程中並不會改變DNA序列，但卻僅會表觀遺傳學修飾DNA包裝的關鍵因子所扮演的角色，文章中，研究者揭示了特殊的調節性機制如何促進早期小鼠胚胎中不同組織和器官的形成。

儘管每個細胞中都含有相同的遺傳信息，但受精卵往往會發育成包含多種不同組織和器官的完整有機體，而一個複雜的分子發條能夠調節機體中細胞如何完成每項任務，並能確定激活每個基因的適當時間和地點；而表觀遺傳調節因子就是這種分子機制中的一部分，其作用是能修飾DNA分子的包裝，而並不會改變背後的遺傳信息，具體而言，其作用就是在DNA分子上貼標籤，並且控制每個細胞中哪些部位能表達。

圖片來源：Abhishek Sampath Kumar/MPIMG

其中大部分的調節子是必不可少的，當器官開始出現時，缺少這些調節子的胚胎或許會在發育期間發生死亡，然而，這些調節子在每個細胞中或許會扮演不同的特定功能，這就使其非常難以被研究，這也就是研究人員研究蛋白質所面臨的一大障礙，因為這些蛋白質不僅與胚胎的發育有關，還參與了癌症的形成。

研究者Stefanie Grosswendt表示，所有細胞中存在著相同的調節子，這依賴於細胞類型和其發育的時間，如今研究人員成功闡明了表觀遺傳調節子在胚胎發育過程中所扮演的關鍵角色；文章中，研究者分析了10種最重要的表觀遺傳調節子，他們利用CRISPR-Cas9系統特異性地移除了受精的卵母細胞中編碼調節因子的基因，隨後觀察胚胎所發生的變化；當胚胎發育了6-9天後，研究人員分析了相應調節子缺失所導致的胚胎解剖學和分子改變，結果發現，很多胚胎的細胞組成發生了實質性的改變，特定類型的細胞數量增加了，而其它類型的細胞根本並沒有產生。

為了在分子水平上理解這些改變，研究人員分析了來自胚胎中成百上千個單一的細胞，這些細胞中單個表觀遺傳調節子都被系統性地移除了，隨後研究者對大約28萬個單一的細胞中的RNA分析進行測序來調查功能缺失所產生的後果，RNA能夠傳遞DNA上的信息，這就能夠幫助研究人員利用測序技術來理解細胞的身份和行為；在研究人員的分析中，他們重點關注到了胚胎發育的某個階段，即在該階段表觀遺傳調節子尤其重要，當研究者將發生改變和未發生改變的胚胎的數據進行對比後，他們識別出了發生下調的基因，以及產量過程或不足的細胞類型，由此來看，研究人員就能推斷出許多表觀遺傳調節子此前未知的功能。

圖片來源：Helene Kretzmer/MPIMG

單細胞分析能幫助研究者分析小鼠發育前9天的細節，通常情況下，冠以一個單一的調節子就會導致整個相互作用的基因網絡產生漣漪效應，而在發育過程中也會使得許多基因被不同程度地激活或失活。移除名為PRC2的表觀遺傳調節子或許就會產生明顯的影響，研究者表示，如果沒有PRC2的話，胚胎在8天半後就會看起來更像雞蛋，而且非常小，這或許是非常不尋常的；此外，研究者還揭示了DNA的包裝方式，其或許早在胚胎出現形態異常之前就已經發生了。

研究者發現，PRC2主要負責限制生殖祖細胞的水平，如果沒有PRC2的話，胚胎就會產生過多的生殖祖細胞，其會失去形狀並在短時間內發生死亡。最後研究者Alexander Meissner指出，在新型組合性技術的幫助下，我們解決了25年來一直懸而未決的問題，如今研究人員就能更好地理解機體中多種不同類型的細胞中表觀遺傳調節子是如何進行排列的。研究人員所採用的方法還能幫助分析諸如轉錄或生長因子等其它因子，甚至是這些因子的組合；如今研究人員就能以前所未有的細節/水平來觀察胚胎發育早期階段的詳細事件了。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

【1】Grosswendt, S., Kretzmer, H., Smith, Z.D. et al. Epigenetic regulator function through mouse gastrulation. Nature 584, 102–108 (2020). doi：10.1038/s41586-020-2552-x

【2】Epigenetics and cell diversity in the embryo