2019年12月17日,清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉研究組在《自然-遺傳》期刊以長文形式報(bào)道了題為“表觀遺傳組學(xué)分析揭示了原腸運(yùn)動(dòng)時(shí)期始發(fā)態(tài)多能性的獨(dú)特染色質(zhì)狀態(tài)”(Epigenomic analysis of gastrulation identifies a unique chromatin state for primed pluripotency)的研究論文。該研究通過多種高靈敏染色質(zhì)表觀遺傳學(xué)分析手段,發(fā)現(xiàn)小鼠植入后胚胎中的始發(fā)態(tài)多能性(primed pluripotency)細(xì)胞具有獨(dú)特的染色質(zhì)結(jié)構(gòu),包括發(fā)育調(diào)控關(guān)鍵基因的啟動(dòng)子區(qū)域富集非常強(qiáng)的H3K4me3/H3K27me3修飾(super-bivalency)。這一重要發(fā)現(xiàn)不僅闡明了細(xì)胞命運(yùn)決定過程中動(dòng)態(tài)的染色質(zhì)調(diào)控機(jī)制,還為體外系統(tǒng)更好的模擬植入后胚胎發(fā)育以及探索早期發(fā)育相關(guān)疾病提供了新的研究方向。
在胚胎植入子宮后,伴隨著原始態(tài)多能性(naive pluripotency)向始發(fā)態(tài)多能性的轉(zhuǎn)變,囊胚中的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(inner cell mass)分化為胚區(qū)的上胚層(epiblast)和胚外區(qū)的臟內(nèi)胚層(visceral endoderm)。由上胚層細(xì)胞進(jìn)一步通過原腸運(yùn)動(dòng)形成的外胚層(ectoderm)、中胚層(mesoderm)與內(nèi)胚層(endoderm)則構(gòu)成了器官發(fā)生以及個(gè)體形成所需要的細(xì)胞基礎(chǔ)。然而,由于譜系之間分離比較困難以及細(xì)胞數(shù)量稀少,人們對(duì)此過程中染色質(zhì)調(diào)控機(jī)制仍然知之甚少。在該研究中,研究人員首先在小鼠胚胎發(fā)育的6.5與7.5天分離了不同胚層,并利用頡偉課題組前期開發(fā)的STAR ChIP-seq、miniATAC-seq與sisHi-C技術(shù),系統(tǒng)地檢測(cè)了組蛋白修飾(H3K4me3、H3K27me3、H3K27ac)、染色質(zhì)開放性以及三維基因組高級(jí)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。研究人員發(fā)現(xiàn),E7.5天外胚層的增強(qiáng)子在E6.5天上胚層中已經(jīng)提前開放,而中胚層與內(nèi)胚層中的增強(qiáng)子則是重新建立的,支持外胚層是上胚層細(xì)胞分化的默認(rèn)分化狀態(tài)的假說。有趣的是,在具有始發(fā)態(tài)多能性的E6.5天上胚層中,研究人員發(fā)現(xiàn)H3K4me3與H3K27me3在一部分發(fā)育基因的啟動(dòng)子及附近區(qū)域呈現(xiàn)非常強(qiáng)的雙價(jià)(bivalency)分布模式,研究人員定義這種狀態(tài)為super bivalency。Super bivalency能夠持續(xù)到外胚層,而在植入前早期胚胎、E5.5天上胚層、E7.5天中胚層、內(nèi)胚層以及小腦、心臟等體細(xì)胞中均不能被檢測(cè)到。此外,通過sisHi-C實(shí)驗(yàn),研究人員發(fā)現(xiàn)在E6.5天上胚層中被super bivalency標(biāo)記的基因在三維空間中具有很強(qiáng)的互相作用。為了研究super bivalency是如何建立的,研究人員聚焦于KMT2B(又名MLL2、WBP7),一種負(fù)責(zé)特異性催化雙價(jià)基因啟動(dòng)子區(qū)域H3K4me3的甲基轉(zhuǎn)移酶。前期研究表明,該催化酶在受精卵中的缺失會(huì)導(dǎo)致小鼠胚胎發(fā)育致死,而從E11.5天敲除卻并不影響胚胎發(fā)育。研究人員發(fā)現(xiàn),在受精卵時(shí)期敲除Kmt2b將會(huì)影響E6.5上胚層中雙價(jià)基因啟動(dòng)子區(qū)域的H3K4me3建立。與此同時(shí),super bivalency標(biāo)記的基因的三維空間作用也伴隨下降。最后,super bivalency的缺失極大地影響了與部分發(fā)育核心調(diào)控基因的激活。綜上所述,該研究在小鼠植入后胚胎發(fā)育過程中系統(tǒng)地研究了表觀遺傳組建立的分子機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了始發(fā)態(tài)多能性中存在super bivalency這一獨(dú)特的染色質(zhì)狀態(tài),并進(jìn)一步揭示了在細(xì)胞命運(yùn)決定過程中super bivalency參與調(diào)控核心基因轉(zhuǎn)錄激活的重要功能。
頡偉教授為本文的通訊作者,清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心博士研究生向云龍與博士后張宇為本文共同第一作者。合作實(shí)驗(yàn)室包括中國科學(xué)院動(dòng)物研究所李磊研究組與美國密歇根大學(xué)的Sundeep Kalantry研究組。該課題得到了清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心基因測(cè)序平臺(tái)以及計(jì)算平臺(tái)的大力協(xié)助和支持。該研究獲得了北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)生命科學(xué)前沿培育項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)、清華北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)國際研究學(xué)者的經(jīng)費(fèi)支持。
早期胚胎發(fā)育過程中染色質(zhì)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)控
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