2篇Nature！99年甘肃状元，到如今清华教授，颉伟多年领域深耕

卵母细胞表观基因组在哺乳动物配子发生和胚胎发生中起关键作用。然而，如何建立它仍然是难以捉摸的。2019年4月29号，清华颉伟、复大李力、中科院动物所李伟团队合作在Nature Genetics发表了题为SETD2 regulates the maternal epigenome, genomic imprinting and embryonic development的研究论文。该研究将SETD2确定为建立母体表观基因组的关键参与者，而母体表观基因组又控制胚胎发育。于此同时iNature还发现，清华大学颉伟研究团队一直默默领域深耕，陆续发表了一系列高质量的研究成果，分别发表在：2篇Nature、2篇Nature Genetics以及1篇Molecular Cell。表观遗传标记在调节染色质状态和基因表达方面起着关键作用，与DNA序列一致，可以通过细胞周期维持这些修饰以传输细胞身份的记忆。表观基因组的异常导致严重的发育缺陷和人类疾病。受精提供了一个机会，不仅可以传递遗传信息，还可以传递父母对早期胚胎的表观遗传信息。特别是，卵母细胞通过不仅传递大量的RNA和蛋白质而且还传递某些表观遗传标记，对胚胎发生产生深远的影响。例如，尽管受精后进行了广泛的表观遗传重编程，但在印迹基因座上建立的卵母细胞DNA甲基化在胚胎中是稳定遗传的，并能使等位基因特异性基因表达。母体对DNA甲基转移酶的消耗导致植入后致死率。同样，新出现的证据表明，母系遗传的组蛋白修饰也可以发挥关键作用。例如，卵母细胞转染的H3K27me3可以调节早期小鼠胚胎中的等位基因特异性基因表达和X染色体失活。这些数据表明母体表观基因组在卵子发生和早期胚胎发生中起重要作用。值得注意的是，最近低输入染色质分析技术的发展揭示了卵子发生过程中令人惊讶的独特表观基因组景观。例如，卵母细胞中的DNA甲基化由转录引导并沉积在包括基因间转录单位的活性基因体中，留下未转录的区域甲基化不良以形成部分甲基化的结构域（PMD）。这种转录依赖性的从头DNA甲基化对于在卵子发生过程中建立印记至关重要。对于组蛋白标记，H3K4me3出现在生长小鼠卵母细胞的启动子中，但在完全成长的卵母细胞（FGO）中采用非规范分布，其中它广泛分布在PMD中。 H3K27me3在生长的卵母细胞中广泛存在，在大多数没有转录的区域发生，然后被限制为FGOs中的一部分PMD。 H3K4me3和H3K27me3都存在于PMD中的事实与它们拮抗DNA甲基化的观点一致。有趣的是，最近的一项研究表明，H3K4me3仅显示出缺乏DNA甲基化的小鼠卵母细胞的中度变化。因此，尚未阐明非经典H3K4me3和H3K27me3如何沉积在卵母细胞基因组中SETD 2调控卵母细胞表观遗传重编程作用模型在这里，研究人员报告组蛋白 - 赖氨酸N-甲基转移酶SETD2，一种H3K36me3甲基转移酶，是小鼠卵母细胞表观基因组的关键调节因子。 Setd2的缺乏导致卵母细胞表观基因组的广泛改变，包括H3K36me3的缺失，建立正确的DNA甲基化组的失败，H3K4me3和H3K27me3侵入前H3K36me3区域以及在印记控制区域异常获得H3K4me3而不是DNA甲基化。重要的是，SETD2的母体耗竭导致卵母细胞成熟缺陷和受精后随后的单细胞停滞。植入前停滞主要是由于母体细胞溶质缺陷，因为它可以在很大程度上被正常的卵母细胞细胞溶质所拯救。然而，染色质缺陷，包括异常印记，在这些胚胎中持续存在，导致植入后的胚胎致死率。因此，这些数据将SETD2确定为建立母体表观基因组的关键参与者，而母体表观基因组又控制胚胎发育。2017年12月5日，清华大学生命科学学院颉伟研究组在《自然-遗传》期刊（Nature Genetics）以长文形式发表了题为《小鼠早期胚胎发育谱系分化过程中表观基因组动态调控》（Dynamic epigenomic landscapes during early lineage specification in mouse embryos）的研究论文，系统报道了哺乳动物早期谱系分化过程中表观遗传信息是如何建立和动态调控的。 哺乳动物的器官及组织均是由一个全能性受精卵不断分裂和分化而形成的。在受精后，很多亲代的表观遗传信息如DNA甲基化等会被擦除，而子代的表观基因组随之重新建立。包括颉伟实验室等研究组前期的工作证明，组蛋白修饰在胚胎着床前同样大部分也会被擦除。在早期胚胎发育过程中，子代表观遗传信息如何建立并参与调控细胞分化发育是个体发育研究的基本问题之一。然而由于实验材料的稀缺和细胞谱系分离的困难，人们对早期胚胎中细胞命运决定过程中表观遗传信息的建立和动态调控知之甚少。图1. a, 小鼠胚胎E3.5至E7.5早期胚胎发育谱系分化示意图。b,小鼠早期胚胎Hoxa基因簇附近甲基化分布情况。c, 模式图显示受精卵至E7.5天早期谱系分化过程中甲基化动态变化。图片摘自Zhang et al., Nature Genetics, 2017.本研究中，研究者仔细分离了小鼠胚胎着床前后（E3.5至E7.5）发育过程中分化出的11种组织，并研究了该谱系分化过程中的转录动态变化。同时，利用前期与新加坡研究局合作实验室开发的少量DNA建库方法（TELP），研究者成功建立了一种全基因组单碱基分辨率甲基化检测方法STEM-seq。以此为基础，研究者获得了以上组织单碱基测序精度全基因组甲基化图谱（图1）。研究发现，CG和CH甲基化位点均存在亲本及谱系特异甲基化重建模式。其中胚内及胚外组织的甲基化水平在关键调控因子启动子及DNA甲基化谷（DNA methylation valley）区域出现显著差异。另外，利用实验室前期开发的高灵敏染色质三维构象捕捉方法sisHi-C，研究人员检测了早期胚胎发育过程中不同谱系染色质的高级结构，并发现着床前胚胎父本基因组去甲基化以及着床后胚外组织甲基化重建模式均与染色体高级结构区间（compartment）高度相关。而在后期的原肠运动过程中，不同胚层间甲基化动态调控主要发生在局部区域。通过寻找这些甲基化动态变化区域，研究者鉴定了这个时期可能的基因表达调控元件如增强子以及潜在的调控转录因子。最后，研究人员发现胚胎着床后甲基化重建过程以及谱系差异甲基化在体外发育的胚胎中可以较好的重现，提示这个过程并不完全依赖于胚胎的母体着床。综上所述，以上研究系统地揭示了哺乳动物中早期胚胎谱系分化及细胞命运决定过程中表观遗传信息的建立和动态调控过程。 2016年12月1日，清华大学生命科学学院颉伟研究组在《分子细胞》期刊（Molecular Cell）在线发表了题为《TET1蛋白亚型转换调控DNA去甲基化和小鼠发育》（Isoform switch of TET1 regulates DNA demethylation and mouse development）的研究论文，揭示了DNA甲基氧化酶TET1通过亚型转换调控DNA甲基化和基因印记擦除的机制。DNA甲基化是一种经典的表观遗传修饰。DNA甲基化能够参与基因表达调控，影响基因组稳定性和个体发育，并可以通过基因印记这种特殊形式在亲代和子代间传递表观遗传记忆。在这些生理学过程中，DNA甲基化的建立、维持和去除的精确调控起着至关重要的作用。其中DNA甲基氧化酶TET蛋白家族的成员能够介导DNA甲基化的主动去除，其功能是个体发育所必需的。然而，TET蛋白在基因组上到底是如何寻找其底物并正确地执行催化功能仍然是尚未清楚阐明的重要问题。TET1蛋白亚型转换调控DNA去甲基化和小鼠发育在论文中，研究人员通过细致地观测转录组学数据，意外地发现TET蛋白家族成员TET1在小鼠不同发育时期中存在两个亚型。其中全长TET1亚型（TET1e）仅在小鼠早期胚胎、小鼠胚胎干细胞和原始生殖细胞中表达；而缺失N端的短TET1亚型（TET1s）则广泛表达于小鼠的体细胞中。有趣的是，短亚型TET1s正好去掉了通常用来介导蛋白与DNA结合的CXXC结构域。然而进一步的ChIP-seq（结合位点分析法）研究表明，这两种蛋白亚型在全基因组中有着相似的分布模式，都能在基因组的富含CpG岛（胞嘧啶—磷酸—鸟嘌呤CpG island）的启动子区结合。相反，全长亚型TET1e相比于短亚型TET1s有着更强的整体染色体亲和能力。这种整体染色体亲和能力能够显著促进DNA去甲基化能力。通过精心设计的遗传操作，研究人员建立了在整个生命周期中只能表达短亚型TET1s的小鼠模型。在这些小鼠的原始生殖细胞中，基因组印记不能被正确地去除。而原始生殖细胞中基因印记的擦除是对配子中基因印记的性别特异性重建和传递到下一代所必需的。因此这种擦除缺陷影响了正确的基因印记重建，并导致下一代发育缺陷包括部分个体体型缩小或死亡。因此，本研究工作展示了代间表观遗传记忆的调控可以通过一个简单的TET蛋白亚型转换而实现。 本文另外一个有趣的发现是，TET1介导的DNA去甲基化并不依赖于ChIP-seq检测到的靶向性结合位点。很多ChIP-seq检测不到结合的地方都能够发生DNA去甲基化。研究人员认为这些区域的去甲基化可能是通过染色体的整体亲和性(Global binding)介导并与底物的短暂接触完成的。相反，ChIP-seq检测到的特定位点的结合(Targeted binding)通常是基因组内相对稳定持续的蛋白结合，而这种结合很多是与转录调控等需要持续进行的过程相关。作为一个相关证据，TET1的N端（去掉CXXC结构域）具有很强的整体染色体亲和性，但是几乎很难检测到明显的ChIP-seq峰，而其他部分（TET1s）具有较弱的染色体亲和性，但却可以检查到明显的ChIP-seq信号。这些工作提示一个染色质调控蛋白的整体染色质亲和能力和特定区域的结合能力需要区分对待。一个调控因子的功能可能并不局限于ChIP-seq检测到的结合位点。2016年9月15日，清华大学生命科学学院颉伟和医学院那洁研究组在《自然》杂志（Nature）上发表题为《哺乳动物早期发育中组蛋白修饰H3K4me3的亲本特异重编程》（Allelic reprogramming of the histone modification H3K4me3 in early mammalian development）的研究论文。随后，颉伟研究组9月16日在《分子细胞》杂志（Molecular Cell）发表研究论文《组蛋白修饰重编程重塑表观记忆》（Resetting Epigenetic Memory by Reprogramming of Histone Modifications in Mammals）。两篇论文在世界上首次报道了哺乳动物组蛋白修饰是如何从亲代传递到子代的，以及 早期胚胎发育中组蛋白修饰遗传和重编程的模式和分子机制。在哺乳动物遗传过程中，遗传物质DNA作为染色质的主要组成部分将从亲代传至子代。除DNA之外，染色质上携带的其他信息物质如DNA甲基化和组蛋白修饰等也存在代间遗传的可能。这些信息被称为 “表观遗传（Epigenetics）”信息。在之前的研究中，DNA甲基化已经被证实能够部分从亲代的生殖细胞遗传至子代胚胎中并对子代发育起到至关重要的作用。组蛋白修饰是表观遗传信息的重要载体和生命活动的重要调控因子。然而，由于实验材料和实验手段的限制，组蛋白修饰是否能够从亲代传递到子代，以及如何传递仍是表观遗传学领域长久以来悬而未决的问题。清华大学颉伟组通过优化传统染色质免疫共沉淀（ChIP）技术，结合新型的DNA建库技术(TELP)，开发出了一套适用于极低细胞量研究组蛋白修饰的新型技术（STAR ChIP-seq），并成功将其应用在小鼠早期胚胎发育的研究中，揭示了组蛋白修饰在受精前后遗传和重编程的模式和分子调控机制。在《自然》论文中，研究人员主要报道了STAR ChIP-seq技术的开发以及利用STAR ChIP-seq研究组蛋白修饰H3K4me3从亲代到子代的遗传模式。研究者发现，在受精卵中，精子来源的绝大部分H3K4me3可能会被擦除。令人惊奇的是，研究人员意外发现在成熟的卵细胞中H3K4me3展现出了一种完全不同于以往任何一种细胞中的富集模式(non-canonical H3K4me3, or ncH3K4me3)。这种非经典H3K4me3大量出现在非基因区（intergenic region）。卵子中的这种特殊组蛋白修饰模式在受精后被暂时的保留了下来。在二细胞晚期阶段，随着胚胎早期发育的重要事件—合子基因组激活—的发生，这些来自母本的H3K4me3会被迅速的擦除。取而代之的是在来自双亲的基因组上同时建立新的经典的H3K4me3模式。最后，研究人员进一步探索了ncH3K4me3在卵细胞中的功能并发现与经典H3K4me3参与基因激活相反，ncH3K4me3可能对卵子的基因组沉默是必需的。在《分子细胞》论文的工作中，研究人员研究了另外一种重要的组蛋白修饰H3K27me3。与H3K4me3类似，精子上的H3K27me3受精后被全基因组范围内擦除。令人惊讶的是，卵子中的H3K27me3则是有选择性的被保留到了受精卵中。其中，在发育相关基因的启动子区域的H3K27me3会在受精后快速的被特意擦除，而非启动子区的H3K27me3则被保留了下来。这个结果表明启动子区的H3K27me3作为一种表观遗传记忆分子在受精后被从父母双方基因组上擦除。子代的胚胎到晚期（植入后胚胎）才开始重新建立表观遗传标记。这些结果呈现出一种与H3K4me3不完全相同的遗传和重编程模式。综上所述，以上两个研究工作首次阐述了组蛋白修饰是如何从亲代传递到子代的，并且证明早期胚胎具有非常独特的表观调控机制和模式。 2016年6月15日，清华大学生命科学学院颉伟研究组在《自然》以长文形式报道哺乳动物着床前胚胎染色质动态调控图谱。在生命起始时期，精子和卵子的结合启动了一系列剧烈的染色体重编程事件。这种重编程能够帮助介导基因组转录的重新启动，塑造崭新的全能性胚胎，并为之后的胚胎发育和组织分化奠定基础。然而在这个过程中受精卵的染色体到底是如何动态变化的，染色质的重编程又是如何协助胚胎特异基因激活这两个问题一直是未解之谜。但由于早期胚胎材料的稀缺，目前的技术手段都难以施展该项研究。开放染色质定位技术（ATAC-seq）和线粒体DNA去除技术（CARM）用于研究早期胚胎的开放染色质区域基因转录的关键调控元件通常坐落在染色质开放区域。在前期斯坦福大学开发的少量细胞染色质开放区域定位技术（ATAC-seq）的基础上，清华大学颉伟组利用CRISPR基因编辑系统，成功克服了早期胚胎中大量母源线粒体基因组DNA对该技术的干扰，呈现了小鼠胚胎早期发育中开放染色质和基因调控元件的精确动态调控图谱。该研究发表在6月15日的《自然》杂志上。从这一工作中，研究人员发现胚胎中来源于父母本的两套染色体在2细胞时期已经建立了相似的染色质开放区域。除了在基因启动子，这些区域还特异地集中在基因组的重复序列和基因转录的终止位置。这些发现暗示着在胚胎早期发育过程中存在着更为丰富的调控方式。另外，研究人员还通过开放染色质鉴定到可能的基因调控元件和相关的调节转录因子，并通过基因敲低实验证实了其中两个转录因子对胚胎中最早细胞分化的关键转录程序起重要的调控作用。最后，研究人员检测了胚胎基因组激活前的染色质状态，发现该时期的染色体不同于基因组激活后的胚胎和体细胞，可能处于一种整体更加松散的状态。综上所述，这项工作不仅发现了哺乳动物早期发育过程中染色体动态变化的特征以及可能的调控元件和转录因子，还揭示了在这个过程中染色质和转录调控元件不同于体细胞的特殊作用模式。早期胚胎发育中合子基因组激活（ZGA）前后不同时期的染色质状态 （来源：iNature微信公众号）双一流科研管理新闻科研管理系统