2018年6月18日，北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰院士團(tuán)隊和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院湯富酬教授研究團(tuán)隊合作，在《自然細(xì)胞生物學(xué)》(Nature Cell Biology，IF=20.06)雜志在線發(fā)表了研究新——“人類早期胚胎的單細(xì)胞多組學(xué)測序”(Single-cell Multi-omics Sequencing of Human Early Embryos)。該研究利用國際領(lǐng)先的單細(xì)胞COOL-seq技術(shù)，首次在單細(xì)胞水平繪制了人類植入前胚胎發(fā)育過程中的全基因組DNA甲基化和染色質(zhì)狀態(tài)圖譜，進(jìn)一步解析了胚胎發(fā)育階段復(fù)雜而協(xié)調(diào)的表觀遺傳重編程過程。

        北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰院士團(tuán)隊與北京大學(xué)湯富酬教授團(tuán)隊長期密切合作，致力于揭示人類發(fā)育過程中基因表達(dá)與表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制，繪制了完整的人類著床前胚胎的高精度單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜(Nature Structural & Molecular Biology, 2013)，對人類早期胚胎及原始生殖細(xì)胞發(fā)育過程中DNA甲基化組重編程進(jìn)行了系統(tǒng)研究(Nature，2014;Cell，2015)，為深入理解人類胚胎發(fā)育及配子發(fā)生過程中的分子機(jī)制提供了重要依據(jù)。2018年1月，合作團(tuán)隊對人類植入前胚胎發(fā)育過程進(jìn)行了更加深入的分析，揭示了人類早期胚胎DNA去甲基化和從頭加甲基化的動態(tài)變化及父母源基因組差異甲基化等關(guān)鍵特征(Nature Genetics , 2018)。

        本研究旨在進(jìn)一步揭示染色質(zhì)狀態(tài)在DNA甲基化重編程過程中的動態(tài)重構(gòu)過程、親本特異的染色質(zhì)狀態(tài)以及多組學(xué)之間的關(guān)系。通過運(yùn)用單細(xì)胞多組學(xué)測序技術(shù)(single-cell COOL-seq)，區(qū)分出整倍體和非整倍體細(xì)胞，利用整倍體胚胎的單細(xì)胞數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地描繪了人類植入前胚胎發(fā)育過程中多個關(guān)鍵階段表觀基因組多個層面的動態(tài)變化，加深了對人類胚胎表觀遺傳重編程過程的理解。

        該研究主要發(fā)現(xiàn)包括以下幾方面：

        1)在受精后19小時內(nèi)，來自精子的父源基因組和來自卵母細(xì)胞的母源基因組都進(jìn)行了大規(guī)模的染色質(zhì)重構(gòu)，父源基因組染色質(zhì)被迅速打開，而母源基因組染色質(zhì)的開放程度降低。隨后染色質(zhì)開放程度同時回落，到8-細(xì)胞期胚胎合子基因組激活后再次增加，桑椹胚時期達(dá)到最高點(diǎn)(圖1)。與小鼠相似，人類胚胎中近端染色質(zhì)開放區(qū)域具有強(qiáng)烈的發(fā)育階段特異性，更重要的是近端染色質(zhì)開放區(qū)域在合子基因激活時期，即4-細(xì)胞到8-細(xì)胞時期，發(fā)生了最劇烈的染色質(zhì)重構(gòu)過程。

        圖1人類植入前胚胎發(fā)育過程中染色質(zhì)開放程度的動態(tài)變化

        2)研究發(fā)現(xiàn)，與小鼠不同，人類卵母細(xì)胞受精后，父源基因組的染色質(zhì)迅速開放，開放程度迅速超過母源基因組，這種開放程度的不對稱狀態(tài)一直持續(xù)到4-細(xì)胞階段(圖2)。這可能更有利于DNA去甲基化酶在父源基因組上的結(jié)合，從而加速父源基因組的去甲基化進(jìn)程以及其他表觀遺傳學(xué)重編程進(jìn)程。而小鼠胚胎在受精后每個胚胎細(xì)胞中父源與母源基因組染色質(zhì)的開放程度相似，并且一直維持這種對稱狀態(tài)。

        圖2人類植入前胚胎發(fā)育過程中父母源基因組DNA甲基化與染色質(zhì)開放程度的不對稱分布

        3)該研究實現(xiàn)了對人類與小鼠著床前胚胎父母源基因組染色質(zhì)開放程度的系統(tǒng)定量比較(圖3)。與小鼠胚胎相比，人類著床前胚胎具有更開放松散的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，而這一松散的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)有可能更容易出現(xiàn)基因組不穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致人類著床前胚胎發(fā)育阻滯比例較高、囊胚率低于小鼠(人類胚胎的囊胚發(fā)育率只有40-60%，而小鼠胚胎的囊胚發(fā)育率高達(dá)95%以上)。人類和小鼠染色質(zhì)狀態(tài)重構(gòu)模式的差異剛好與這兩個物種合子基因激活時間的差異吻合。

        圖3人鼠物種間父母源基因組染色質(zhì)開放程度的比較

        4)每個雌性細(xì)胞中有兩條X染色體，其中一條來自精子(父源X染色體)，另外一條來自卵細(xì)胞(母源X染色體)。本研究發(fā)現(xiàn)在人類女性胚胎中，受精后父源X染色體迅速去甲基化并激活，到2-細(xì)胞期遠(yuǎn)低于母源X染色體的DNA甲基化水平，之后維持這一不平衡狀態(tài)。同時，從受精卵到4-細(xì)胞期，父源X染色體的染色質(zhì)狀態(tài)比母源的更開放(圖4)。

        圖4 單個女性胚胎細(xì)胞中父母源DNA甲基化與染色質(zhì)開放程度的差異

        5)研究首次發(fā)現(xiàn)，在人類胚胎植入前發(fā)育時期，DNA去甲基化和染色質(zhì)重構(gòu)在不同的基因組元件是不同步的。受精后表現(xiàn)出高度DNA甲基化異質(zhì)性的基因，和表現(xiàn)出高度染色質(zhì)狀態(tài)異質(zhì)性的基因是不同的兩類。

        6)利用轉(zhuǎn)錄抑制試驗，研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)錄作為反饋機(jī)制，對于大量基因維持其啟動子區(qū)域染色質(zhì)持續(xù)處于開放狀態(tài)具有重要作用。與對照組相比，經(jīng)轉(zhuǎn)錄抑制的受精卵在8-細(xì)胞期有1700多個(35%)基因失去啟動子區(qū)的染色質(zhì)開放狀態(tài)。

        7)該研究結(jié)合染色質(zhì)開放程度和DNA甲基化信息，進(jìn)行了人類和小鼠的候選增強(qiáng)子預(yù)測，得到人類著床前胚胎的37000多個候選增強(qiáng)子區(qū)域。發(fā)現(xiàn)對于人類和小鼠著床前胚胎中的染色質(zhì)處于開放狀態(tài)的候選增強(qiáng)子，只有700多個是在這兩個物種中同時處于染色質(zhì)開放狀態(tài)，說明在著床前胚胎發(fā)育過程中處于活躍狀態(tài)的增強(qiáng)子具有很強(qiáng)的物種特異性。與此同時，該研究對人類著床前胚胎中鑒定出的接近40萬個染色質(zhì)開放區(qū)域(NDR)進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合富集分析，發(fā)現(xiàn)相對于滋養(yǎng)外胚層細(xì)胞，多能性的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中的遠(yuǎn)端(距離基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)2kb以外)染色質(zhì)開放區(qū)域更富集轉(zhuǎn)錄因子ZNF281的結(jié)合序列;而相對于內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，滋養(yǎng)外胚層細(xì)胞中的遠(yuǎn)端染色質(zhì)開放區(qū)域更富集轉(zhuǎn)錄因子CDX2、TFAP2C(AP2γ)的結(jié)合序列，這為今后研究人類著床前胚胎發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下游基因表達(dá)提供了基礎(chǔ)。

        本研究利用單細(xì)胞多組學(xué)高通量測序技術(shù)，系統(tǒng)分析了整倍體人類植入前胚胎的DNA甲基化重編程及伴隨的染色質(zhì)狀態(tài)重構(gòu)，加深了對人類胚胎表觀遺傳重編程過程的理解。研究首次揭示了人類早期胚胎發(fā)育過程中，父母源基因組的DNA甲基化與染色質(zhì)狀態(tài)的不對稱分布。另外，研究定量比較了人類和小鼠胚胎的染色質(zhì)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)物種保守性及特異性的表觀遺傳學(xué)特征。這為今后人們繼續(xù)研究人鼠兩個物種早期胚胎中表觀遺傳學(xué)的異同提供了理論基礎(chǔ)，明確了利用小鼠作為模式生物研究哺乳動物早期發(fā)育的優(yōu)勢和局限性。本研究同時為探究臨床上胚胎發(fā)育阻滯、著床失敗、反復(fù)流產(chǎn)等問題的發(fā)生機(jī)制及診治策略提供了新的思路和研究方法。

        北京大學(xué)第三醫(yī)院博士生任一昕以及北京大學(xué)北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心博士生李琳、博士生高云，四川大學(xué)研究員郭帆為該論文的并列第一作者;北京大學(xué)第三醫(yī)院喬杰院士和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院湯富酬教授為該論文的共同通訊作者。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重大科學(xué)研究計劃、北京市科學(xué)技術(shù)委員會、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心(CLS)等的資助。

        原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41556-018-0123-2

        參考文獻(xiàn)：

        Yan, L., Yang, M., Guo, H., Yang, L., Wu, J., Li, R., Liu, P., Lian, Y., Zheng, X., Yan, J., et al. (2013). Single-cell RNA-Seq profiling of human preimplantation embryos and embryonic stem cells. Nat Struct Mol Biol 20, 1131-1139.

        Guo, H., Zhu, P., Yan, L., Li, R., Hu, B., Lian, Y., Yan, J., Ren, X., Lin, S., Li, J., et al. (2014). The DNA methylation landscape of human early embryos. Nature 511, 606-610.

        Zhu, P., Guo, H., Ren, Y., Hou, Y., Dong, J., Li, R., Lian, Y., Fan, X., Hu, B., Gao, Y., et al. (2018). Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos. Nature genetics.