清華大學頡偉那潔研究組設(shè)計新型技術(shù)

揭示組蛋白修飾代間遺傳及重編程的模式和分子機理

清華新聞網(wǎng)9月22日電 2016年9月15日，清華大學生命科學學院頡偉和醫(yī)學院那潔研究組在《自然》雜志（Nature）上發(fā)表題為《哺乳動物早期發(fā)育中組蛋白修飾H3K4me3的親本特異重編程》（Allelic reprogramming of the histone modification H3K4me3 in early mammalian development）的研究論文。隨后，頡偉研究組9月16日在《分子細胞》雜志（Molecular Cell）發(fā)表研究論文《組蛋白修飾重編程重塑表觀記憶》（Resetting Epigenetic Memory by Reprogramming of Histone Modifications in Mammals）。兩篇論文在世界上首次報道了哺乳動物組蛋白修飾是如何從親代傳遞到子代的，以及早期胚胎發(fā)育中組蛋白修飾遺傳和重編程的模式和分子機制。

在哺乳動物遺傳過程中，遺傳物質(zhì)DNA作為染色質(zhì)的主要組成部分將從親代傳至子代。除DNA之外，染色質(zhì)上攜帶的其他信息物質(zhì)如DNA甲基化和組蛋白修飾等也存在代間遺傳的可能。這些信息被稱為 “表觀遺傳（Epigenetics）”信息。在之前的研究中，DNA甲基化已經(jīng)被證實能夠部分從親代的生殖細胞遺傳至子代胚胎中并對子代發(fā)育起到至關(guān)重要的作用。組蛋白修飾是表觀遺傳信息的重要載體和生命活動的重要調(diào)控因子。然而，由于實驗材料和實驗手段的限制，組蛋白修飾是否能夠從親代傳遞到子代，以及如何傳遞仍是表觀遺傳學領(lǐng)域長久以來懸而未決的問題。清華大學頡偉組通過優(yōu)化傳統(tǒng)染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP）技術(shù)，結(jié)合新型的DNA建庫技術(shù)(TELP)，開發(fā)出了一套適用于極低細胞量研究組蛋白修飾的新型技術(shù)（STAR ChIP-seq），并成功將其應(yīng)用在小鼠早期胚胎發(fā)育的研究中，揭示了組蛋白修飾在受精前后遺傳和重編程的模式和分子調(diào)控機制。

圖1H3K4me3從配子到子代的重編程過程。

在《自然》論文中，研究人員主要報道了STAR ChIP-seq技術(shù)的開發(fā)以及利用STAR ChIP-seq研究組蛋白修飾H3K4me3從親代到子代的遺傳模式。研究者發(fā)現(xiàn)，在受精卵中，精子來源的絕大部分H3K4me3可能會被擦除。令人驚奇的是，研究人員意外發(fā)現(xiàn)在成熟的卵細胞中H3K4me3展現(xiàn)出了一種完全不同于以往任何一種細胞中的富集模式(non-canonical H3K4me3, or ncH3K4me3)。這種非經(jīng)典H3K4me3大量出現(xiàn)在非基因區(qū)（intergenic region）。卵子中的這種特殊組蛋白修飾模式在受精后被暫時的保留了下來。在二細胞晚期階段，隨著胚胎早期發(fā)育的重要事件—合子基因組激活—的發(fā)生，這些來自母本的H3K4me3會被迅速的擦除。取而代之的是在來自雙親的基因組上同時建立新的經(jīng)典的H3K4me3模式。最后，研究人員進一步探索了ncH3K4me3在卵細胞中的功能并發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典H3K4me3參與基因激活相反，ncH3K4me3可能對卵子的基因組沉默是必需的。

圖2 H3K27me3在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中的動態(tài)調(diào)控圖譜。

在《分子細胞》論文的工作中，研究人員研究了另外一種重要的組蛋白修飾H3K27me3。與H3K4me3類似，精子上的H3K27me3受精后被全基因組范圍內(nèi)擦除。令人驚訝的是，卵子中的H3K27me3則是有選擇性的被保留到了受精卵中。其中，在發(fā)育相關(guān)基因的啟動子區(qū)域的H3K27me3會在受精后快速的被特意擦除，而非啟動子區(qū)的H3K27me3則被保留了下來。這個結(jié)果表明啟動子區(qū)的H3K27me3作為一種表觀遺傳記憶分子在受精后被從父母雙方基因組上擦除。子代的胚胎到晚期（植入后胚胎）才開始重新建立表觀遺傳標記。這些結(jié)果呈現(xiàn)出一種與H3K4me3不完全相同的遺傳和重編程模式。綜上所述，以上兩個研究工作首次闡述了組蛋白修飾是如何從親代傳遞到子代的，并且證明早期胚胎具有非常獨特的表觀調(diào)控機制和模式。

《自然》論文清華大學生命學院頡偉研究員和醫(yī)學院的那潔研究員為共同通訊作者。清華大學生命學院直博生張冰潔、生命學院CLS項目博士生鄭輝、北京大學前沿交叉學科研究院CLS項目博士生黃波和清華大學醫(yī)學院直博生李文治為共同第一作者。合作實驗室包括新加坡科技研究局、新加坡臨床科學研究院的徐豐組、同濟大學高紹榮組、清華大學孟安明研究組和紀家葵研究組。《分子細胞》論文清華大學生命學院頡偉研究員為通訊作者，清華大學生命學院CLS項目博士生鄭輝、北京大學前沿交叉學科研究院CLS項目博士生黃波和清華大學生命學院直博生張冰潔為論文共同第一作者。合作實驗室包括新加坡科技研究局、新加坡臨床科學研究院的徐豐組。課題得到了清華大學實驗動物中心、生物醫(yī)學測試中心基因測序平臺、生物計算平臺的大力協(xié)助和支持。該研究獲得了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家自然科學基金委優(yōu)秀青年基金以及生命科學聯(lián)合中心的經(jīng)費支持。

論文鏈接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature19361.html

http://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(16)30479-8

編輯：悸寔 華山