Cell Res：景乃禾、汤富酬合作团队揭示胚胎胚外发育基因沉默的差别表观遗传机制
2018-02-28 BioArt BioArt
最近几年，随着各种基于少量细胞的表观遗传学研究手段的快速发展（如针对DNA甲基化的亚硫酸氢盐测序、针对组蛋白修饰的染色质免疫沉淀测序、针对染色质开放程度的ATAC-seq、针对染色质高级结构的HiC-seq等），关于哺乳动物胚胎发育过程中的表观遗传学动态变化规律的研究不断深入。这其中，北京大学汤富酬教授、同济大学高绍荣教授、清华大学颉伟教授、中科院北京基因组所刘江研究员等都作出了大量杰出的工作。然
最近几年，随着各种基于少量细胞的表观遗传学研究手段的快速发展（如针对DNA甲基化的亚硫酸氢盐测序、针对组蛋白修饰的染色质免疫沉淀测序、针对染色质开放程度的ATAC-seq、针对染色质高级结构的HiC-seq等），关于哺乳动物胚胎发育过程中的表观遗传学动态变化规律的研究不断深入。这其中，北京大学汤富酬教授、同济大学高绍荣教授、清华大学颉伟教授、中科院北京基因组所刘江研究员等都作出了大量杰出的工作。然而针对小鼠胚胎早期发育过程中细胞命运决定及发育潜能维持与丧失的表观遗传调控机制研究还很不深入。
2月20日，中科院上海生物化学与细胞生物学研究所景乃禾研究员实验室和北京大学汤富酬研究员实验室合作在Cell Research杂志在线发表了题为“Silencing of developmental genes by H3K27me3 and DNA methylation reflects the discrepant plasticity of embryonic and extraembryonic lineages”的研究论文。该论文揭示了原肠运动时期胚胎不同部位细胞的DNA甲基化和H3K27me3修饰模式的变化规律，并发现了发育相关基因在胚外区域富集DNA甲基化修饰、在胚胎区域富集H3K27me3修饰的现象，阐明了两种表观调控机制对于介导胚外和胚胎部分细胞发育潜能差异的重要作用。
细胞命运决定过程的调控机制是发育生物学及干细胞研究领域的关键问题之一。在小鼠胚胎早期发育过程中，具有全能性的合子细胞经过不断的细胞增殖后逐渐特化形成滋养外胚层（TE）和内细胞团(ICM)细胞。其中TE继而形成胚外外胚层等细胞，并最终形成胎盘组织等；ICM细胞则发育形成原始内胚层细胞和上胚层细胞，上胚层细胞经过原肠运动形成外、中、内三个胚层，将来发育形成完整个体。前期研究表明，内细胞团和滋养外胚层在转录组上已经呈现出较大差异，而此时两种类型的细胞在表观修饰上的差异尚不明显。随着胚胎发育的进行，胚外部分和胚内部分细胞的发育命运不断固化，表观遗传调控在该过程中是否发挥作用尚不清楚。
2016年3月，景乃禾课题组在Developmental Cell上首次报道了小鼠原肠胚中期的空间转录组图谱，揭示了调控胚胎发育的关键基因在胚胎中不同位置的表达情况，为进一步理解小鼠胚胎发育过程尤其是原肠运动过程中的细胞命运分化及可塑性的分子机制奠定了基础。
2017年7月，美国Broad研究所Alexander Meissner教授在Nature上报道了其对小鼠早期胚胎胚外和胚内细胞的DNA甲基化分布模式的研究成果。该文报道了在小鼠着床后胚胎中胚外外胚层细胞中发育相关基因被高度甲基化的现象，并进一步对比了胚外发育相关基因的高DNA甲基化模式与肿瘤细胞中的DNA甲基化分布模式之间的相似性，分析了发育关键基因的表观调控机制在疾病发生过程中的重要作用。然而，这种差异DNA甲基化分布对于胚胎发育的意义以及是否存在其他表观机制介导胚内部分细胞命运的多样化，尚不清楚。
在最新的这项研究成果中，研究人员为了进一步探究小鼠胚胎发育过程中的表观遗传学机制，建立了基于少量细胞的染色质免疫沉淀技术和亚硫酸盐测序技术等。结合不同胚胎区域的发育命运，将小鼠原肠胚切割形成胚外部分、前端部分、后端部分等，细致研究了小鼠着床后胚胎不同部位细胞的组蛋白H3K27me3 修饰和DNA 甲基化修饰的变化规律和分布特点。研究结果表明，DNA甲基化在可转座元件序列区域的富集水平要远高于基因启动子区域的分布；H3K27me3则呈现出相反的趋势，即在基因启动子区域的富集程度要高于可转座元件区域的富集水平。且从着床前到原肠胚阶段，DNA甲基化水平的增长主要发生在转座元件区域，H3K27me3的重建则主要发生在基因启动子及调控元件区域。
通过将基因组上所有基因按照启动子区域的CpG含量分为高、中和低三类并进一步分析上述两种表观修饰在这三类启动子区域的富集情况，研究人员发现在小鼠原肠胚中H3K27me3在胚内区域的高CpG含量启动子附近的富集程度明显高于其在胚外区域的富集程度。通过与着床前胚胎中的分布进行对比，研究人员发现这种差异在着床前胚胎中的ICM和TE之间并不存在，仅在着床后胚胎中出现。对这部分基因的进一步研究表明，胚内区域和胚外区域存在显着H3K27me3富集程度差异的基因多与胚胎发育密切相关，且其中相当一部分基因的启动子（515/1，760）区域呈现出胚内区域的低DNA甲基化、胚外区域的高DNA甲基化分布。
针对这种现象，研究人员推断这种表观修饰分布上的差异可能对于介导胚外区域和胚内区域发育命运上的差异、促进胚内区域多种细胞命运的形成等具有重要作用。为了验证这种不同胚胎区域表观修饰的分布差异及其对发育相关基因的调控作用，研究人员利用体外外植体培养实验短时培养小鼠原肠期胚胎，通过向培养体系中添加H3K27me3特异性抑制剂处理后，观察分析不同胚胎组分细胞基因表达响应性上的差别。结果表明添加H3K27me3特异性抑制剂处理后，可显着上调胚胎区域发育相关基因的表达水平，而胚外区域则不受影响。如对原肠胚后端高表达且对原条及中内胚层发生至关重要的基因T，在处理后呈现出在前端部分细胞中的显着上调、后端和胚外细胞中则无明显变化。由此可以推断发育相关基因T在胚外部分受到DNA甲基化的调控、胚内前端部分受到H3K27me3的调控来维持其在两部分细胞中的低表达，并进而促进原肠胚后端原条及中内胚层的形成和原肠胚胚胎模式的建立。
综上，该研究结果为阐明不同表观调控对细胞命运及发育可塑性的影响、认识干细胞的全能性与分化潜能以及干细胞转化医学应用等提供了全新的视角和理论指导。
据悉，中科院上海生化细胞所与上海科技大学联合培养博士生杨贤法、北京大学博士生胡博强及侯宇、广州大学生命科学学院乔云波为本文共同第一作者，景乃禾研究员、汤富酬教授和乔云波博士为论文共同通讯作者。
原始出处：
Xianfa Yang, Boqiang Hu, Yu Hou, et al.Silencing of developmental genes by H3K27me3 and DNA methylation reflects the discrepant plasticity of embryonic and extraembryonic lineages.Cell Research (2018) doi:10.1038/s41422-018-0010-1
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