【重磅综述】颉伟实验室阐述动物早期发育中的表观基因组重塑

细胞核作为真核细胞中最显著的结构，是DNA复制、转录和RNA加工的重要场所。了解细胞核内部结构和功能对于分子和细胞生物学以及相关疾病研究具有重要意义。美国冷泉港实验室出版社于2011年出版了《The nucleus》一书。时隔十年，2021年8月17日，清华大学生命科学学院颉伟团队（第一作者为清华大学生命学院博士后杜振海和2016级博士生张珂)受邀为第二版《The nucleus》撰写了题为 Epigenetic Reprogramming in Early Animal Development(动物早期胚胎发育过程中的表观修饰重编程) 的综述文章，并在线发表于Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 杂志。该论文详细总结了在动物配子发生和早期胚胎发育过程中表观遗传修饰动态变化的研究进展，比较了不同物种间表观信息重编程过程的差异性和保守性，并讨论了相关重编程事件在配子成熟和亲本向合子转换过程中可能的生物学功能和对个体发育带来的潜在挑战。

新生命的诞生起始于受精。终末分化的精子和卵细胞融合发育成一枚具有全能性的受精卵。在这一过程中，除了主要遗传物质DNA，染色质上还携带了大量的“表观遗传”信息被从亲代传递至子代。随着胚胎发育的进行，母源的mRNA和蛋白质逐渐降解，合子基因组在特定时期激活（zygotic genome activation, ZGA）（图1），具有全能性的胚胎逐渐发育为完整个体。在这个过程中，表观遗传信息对于精确地调控基因表达和正常的胚胎发育至关重要。亲本来源的表观遗传信息是如何在子代保留、擦除以及子代是如何完成表观遗传重建的一直是领域内亟待回答的问题。近年来，得益于各种微量样品表观遗传信息检测技术的快速发展，不同物种的配子发生和早期胚胎发育中全基因组层面的各类表观遗传信息的重塑过程及其相关变化机制逐渐被揭开。本文作者系统总结了DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质三维结构等表观遗传信息在动物配子发生和早期胚胎发育过程中的动态变化规律、机制及功能，并讨论了在亲本向合子转换过程（parental-to-zygotic transition）中表观遗传重编程的待解决问题和未来研究方向。

早期胚胎发育过程中表观遗传信息的重编程

图1. 小鼠早期胚胎发育中转录水平以及各种表观遗传修饰动态变化示意图

DNA甲基化

不同于精子基因组整体高甲基化，小鼠卵细胞中DNA甲基化的建立与转录活性高度相关，高转录的基因体（gene body）呈现高DNA甲基化，而非转录区域DNA甲基化水平较低。受精后，父母源基因组会经历迅速大范围的主动和被动DNA去甲基化（图1）。DNA甲基化印记（imprinting）区域甲基化信号被保留，从而调控相关印记基因的亲本基因组特异性表达，这对于胎盘、胎儿出生后发育以及大脑发育至关重要。在胚胎着床后，DNA甲基化逐步重新建立。人类胚胎发育中，DNA甲基化也经历着类似的剧烈重编程。

组蛋白修饰

小鼠精子中各种组蛋白修饰大多呈现类似体细胞的经典分布模式（canonical pattern），而小鼠卵子细胞中多种组蛋白修饰呈现为特殊的非经典分布方式（non-canonical pattern)。例如，H3K4me3、H3K27me3和H2AK119ub以宽峰，非经典方式大量积累在DNA低甲基化区域（partially methylated domains, PMD）。受精后，父母本的组蛋白修饰经历不同的重编程过程，形成亲本不对称性分布状态（图1）。来源于精子的各种组蛋白修饰被迅速擦除，后续逐步在父源基因组上从头建立非经典分布模式，而卵子中的部分组蛋白修饰可以被短暂遗传至子代。之后，不同的组蛋白修饰在不同的发育时间点消除父母本不对称分布状态并进一步转化成为经典分布方式（图1）。然而，上述各种非经典组蛋白修饰分布在不同物种中并非完全保守。例如，在人类卵细胞中未发现非经典的H3K27me3修饰，同时胚胎基因组激活后绝大部分卵子H3K27me3被丢失（图2），这可能与不同物种组蛋白修饰相关酶的表达差异相关。

组蛋白修饰在配子发生和胚胎发育中发挥着重要的生物学功能。例如， H3K36me3参与小鼠卵母细胞中DNA甲基化和相应基因印记的建立；非经典H3K27me3在小鼠胚胎中作为一种不同于DNA甲基化的基因印记模式参与调节重要基因的父母本特异性表达（图2）；而早期胚胎高度不成熟的H3K9me3也是胚胎发育所必需的，异常的H3K9me3是多个物种体细胞核移植（SCNT）胚胎命运重编程过程中的主要障碍。

图2. 小鼠和人类胚胎中H3K27me3修饰重编程以及H3K27me3与DNA甲基化介导的基因印记建立过程示意图

染色体高级结构

小鼠精子具有经典的区室（compartment）和拓扑结构域（TAD）。而在小鼠初级卵母细胞中，TAD和染色质环（loop）较弱，没有经典的compartment和核纤层关联域（LAD），但是出现了特殊的多梳蛋白相关结构域（PAD）。MII卵母细胞因为处于减数分裂中期，而呈现均一的染色质构象，缺乏经典的compartment和TAD等。受精后，父母本的染色体三维结构均迅速解聚，合子的染色体处于一种高度松散的状态，经典的染色体高级结构在后续发育过程中缓慢建立（图3）。

与小鼠不同，因为缺乏CTCF蛋白，人类精子中不存在TAD。但在人类、果蝇、鱼类和爪蟾胚胎发育过程中，合子基因组激活前极其松散的染色体结构和进程缓慢的重建过程则与小鼠非常相似。这种松散的染色质结构是否是合子基因组激活和胚胎细胞全能性所必需的还亟待进一步探索。

图3. 小鼠和人类胚胎中染色体三维结构重编程过程示意图

基于以上早期胚胎发育过程中表观基因组动态变化规律，作者对相关的生物学功能、可能的背后机理以及尚需解决的问题进行了讨论。

1. 为何卵子经常会建立非经典的表观基因组？

小鼠精子和卵子表观基因组间存在着巨大的差异。在卵子中特异性地出现了各种非经典特征，例如低DNA甲基化的非转录区域、宽峰分布的组蛋白修饰和特殊的染色体三维结构（图4）。为何小鼠卵子会建立非经典的表观基因组？（1）卵子中特殊的DNA甲基化和H3K27me3分布功能之一是为了建立重要的基因印记；（2）各种组蛋白修饰广泛采用宽峰的方式分布于全基因组，可能与初级卵母细胞被长时间阻滞在第一次减数分裂前期，缺乏DNA复制和细胞分裂相关，因此，各类组蛋白修饰有足够多的机会在卵子中大量积累；（3）卵子中非转录区域的低DNA甲基化特征，可能为其他表观修饰的积累创造了条件。

图4. 在小鼠早期胚胎亲本向合子转换过程中表观遗传信息重编程示意图

2. 为何早期胚胎会重置整个表观遗传组，而不是有针对性地部分重编程重要调控区域？

受精后，胚胎经历了大规模亲本来源表观遗传信息擦除和子代表观基因组重建的过程。为何早期胚胎会选择重置整个表观遗传组，而不是进行区域化地重编程？作者猜想可能有以下几种原因：（1）全能性（totipotency）的建立可能需要宽松（permissive）原始（naïve）的染色质状态；（2）大范围去除抑制型（repressive）表观修饰使得早期胚胎的异染色质呈现为缺失或者不成熟的状态，这可能有助于去除各种重编程障碍以高效建立全能性并促进胚外组织的形成；（3）表观基因组的整体重置可能加速消除亲本间不对称的表观遗传信息。

3. 胚胎如何确保完成亲本子代转换（parental-to-zygotic transition）？

合子基因组激活前，胚胎处于特殊的“原始”染色质状态（primitive chromatin state）：（1）各种抑制型表观修饰（例如DNA甲基化、H3K27me3和H3K9me3）被大范围擦除；（2）各种激活型（active）修饰（例如高度开放的染色质、H3K4me3和H3K27ac）被广泛地积累在基因组上；（3）染色体三维结构处于高度松散的状态。作者猜测这一“原始”染色质状态可能为胚胎全能性的建立扫清了障碍，并为后续快速合子基因组激活提供了有利的转录微环境（图4）。但与此同时，它也给胚胎带来了新的挑战。例如，部分基因或者重复序列因抑制性表观修饰的缺失可能会异常激活，从而破坏基因组的稳定性并造成发育阻滞；松散的三维结构很可能导致远距离的增强子-启动子相互作用丢失。为了解决这些问题，作者猜测胚胎会利用其他抑制型修饰（例如H2AK119ub）来弥补经典异染色质的缺失，胚胎也可能倾向于使用近端的增强子或者启动子以调控相应基因的转录（图4）。

最后，作者对未来早期胚胎发育过程的表观遗传重编程机制研究作出了展望。（1）单细胞多组学表观遗传分析技术将有助于系统性探索早期胚胎的表观信息的空间时序性；（2）高通量的遗传筛选手段和高灵敏的目标蛋白靶向降解等生化技术，结合新出现的类胚胎培养体系（blastoid和gastruloid等），将可能为早期胚胎重要调控因子遗传筛选提供条件；（3）对不同物种间表观基因组重编程的系统性研究将有助于揭示其进化历程，并为人类早期胚胎重编程事件的研究提供新的动物模型。

原文链接：

https://cshperspectives.cshlp.org/content/early/2021/08/16/cshperspect.a039677.abstract

The Nucleus collection:

https://cshperspectives.cshlp.org/cgi/collection/the_nucleus

来源：BioArt

网站：www.cscb.org.cn

微信：CSCB-WeChat

原标题：《【重磅综述】颉伟实验室阐述动物早期发育中的表观基因组重塑》

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