清華新聞網(wǎng)6月12日電 哺乳動物胚胎的著床前后轉(zhuǎn)變（Pre- to post-implantation transition, PPT）是早期胚胎發(fā)育過程中的關(guān)鍵生物學(xué)事件。在這個發(fā)育窗口期，胚胎經(jīng)歷劇烈的發(fā)育重編程，在細胞和分子水平發(fā)生一系列精密調(diào)控事件，例如多能性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、第二次細胞命運決定、前后對稱性打破、大規(guī)模的表觀遺傳重編程等。
近年來，少量細胞或單細胞組學(xué)測序和分析技術(shù)的進展，極大推動了早期發(fā)育分子動態(tài)圖景的繪制與理解，多個研究組曾報道哺乳動物胚胎在早期發(fā)育過程中DNA甲基化（DNA methylation，DNAme）的動態(tài)特征。然而該過程是否在物種間保守，以及哺乳動物胚胎PPT過程中DNAme和與基因表達（RNA expression，RNAex）如何協(xié)同調(diào)控、是否影響譜系命運轉(zhuǎn)變，其機制有待進一步揭示。
6月3日，清華大學(xué)生命學(xué)院、清華-北大生命聯(lián)合中心周帆副教授課題組在《細胞報告》（Cell Reports）在線發(fā)表了題為“解析早期哺乳動物發(fā)育中DNA甲基化-轉(zhuǎn)錄的著床前后轉(zhuǎn)變”（Dissecting pre- to post-implantation transition of DNA methylome-transcriptome dynamics in early mammalian development）的研究論文。該研究結(jié)合高精度多組學(xué)挖掘與體內(nèi)外模型驗證等體系，從圍著床胚胎主要譜系及其亞群特異性DNA加甲基化模式、基因組元件上父母源DNAme差異、啟動子DNAme與RNAex協(xié)同變化等多個角度，系統(tǒng)解析了圍著床胚胎DNAme和RNAex協(xié)同動態(tài)調(diào)控模式。
研究人員通過多組學(xué)測序中的RNA測序分別挑選出E3.5-E5.5小鼠胚胎細胞用于單細胞DNAme測序，結(jié)果顯示著床后譜系均經(jīng)歷了全基因組甲基化水平的劇烈升高，其中胚內(nèi)譜系（胚胎上胚層（epiblast，EPI））的DNAme重建速度與水平顯著高于胚外譜系（內(nèi)臟內(nèi)胚層（visceral endoderm，VE）和胚外外胚層（extraembryonic ectoderm，ExE））。小鼠、猴和人類在受精后都經(jīng)歷了全基因組去甲基化過程，并在圍著床階段降至最低水平，著床后重新建立譜系特異的DNAme模式。此外，VE亞群在基因組元件和VE亞群特異表達基因上均呈現(xiàn)出差異DNAme，表明VE亞群命運決定過程中也經(jīng)歷了各自的DNAme動態(tài)變化（圖1）。
圖1.哺乳動物早期譜系特異性DNAme的出現(xiàn)
父母源差異性DNAme在印記基因的表達和轉(zhuǎn)座元件的不對稱沉默中發(fā)揮重要作用，然而哺乳動物早期發(fā)育中該差異貫穿PPT全程的規(guī)律仍未被系統(tǒng)揭示。研究人員發(fā)現(xiàn)早期胚胎發(fā)育過程中父母源DNAme差異的消失呈現(xiàn)出元件亞型特異性的時序差異，且這一現(xiàn)象與小鼠的性別和品系無關(guān)。值得注意的是，各類父母源基因組元件（尤其是轉(zhuǎn)座子、逆轉(zhuǎn)座子等區(qū)域）的異步動態(tài)變化，是否參與早期胚胎基因表達調(diào)控并影響譜系命運值得關(guān)注（圖2）。
圖2.早期胚胎發(fā)育中父母源DNAme差異的異步擦除
啟動子差異DNAme分析顯示，E5.5胚胎存在EPI特異性低DNAme啟動子，相關(guān)基因顯著富集于E6.5原腸胚形成等關(guān)鍵發(fā)育通路。例如原腸運動相關(guān)基因Brachyury（T）在E5.5 EPI中提前形成EPI特異性低DNAme，并在E6.5原條（primitive streak, PS）中特異性激活表達。VE/ExE特異性低甲基化啟動子相關(guān)基因主要參與調(diào)控消化系統(tǒng)與胎盤發(fā)育。這些譜系特異性啟動子低甲基化基因與后續(xù)譜系特化和細胞命運決定密切相關(guān)，提示啟動子甲基化狀態(tài)可能通過“表觀遺傳預(yù)編程”機制預(yù)先調(diào)控各譜系基因開關(guān)，從而限制細胞向非目標(biāo)譜系分化（圖3）。
圖3. 非DNA甲基化占據(jù)預(yù)設(shè)基因模塊的建立
整合分析表明，圍著床期EPI中大部分基因呈現(xiàn)經(jīng)典DNAme-RNAex負(fù)相關(guān)模式（即啟動子高甲基化抑制基因表達）。同時，少量基因存在啟動子甲基化與RNAex正協(xié)同變化模式，且該模式在小鼠和人類各譜系中保守。通過過表達/敲除Dnmt3a/b的mESCs模型及分析Dnmt1/3a/3b三敲胚胎EPI，進一步驗證此類非經(jīng)典DNAme-RNAex正協(xié)同模式在干細胞和胚胎發(fā)育中的普適性。多維度調(diào)控因子分析提示，該表觀遺傳調(diào)控模式可能通過排斥CTCF、招募特異性激活因子（如Znf692）等多維分子機制共同調(diào)控譜系發(fā)育基因表達（圖4）。
圖4.著床前后轉(zhuǎn)變中的非經(jīng)典DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄動態(tài)的形成
該研究揭示了圍著床胚胎譜系特異的DNAme動態(tài)變化及VE亞群DNAme差異模式；解析了不同基因組元件上父母源DNAme差異的非同步消失規(guī)律；鑒定了圍著床期啟動子DNAme-RNAex的多樣化動態(tài)模式，特別發(fā)現(xiàn)一類DNAme-RNAex正協(xié)同變化的非經(jīng)典分子特征，為理解胚胎發(fā)育中表觀遺傳與基因表達的互作關(guān)系提供了新視角。
周帆為論文通訊作者，周帆課題組2023級博士生朱慶元和2021級博士生劉瑩為論文共同第一作者。參與這一工作的還有生命學(xué)院2023級博士生郝鑫、2020級博士生鄢勝鎰、2020級博士生葛吉濤和2023級博士生鄭長青。研究得到昌平國家實驗室任仙文研究員的大力支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)00561-3
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
