Nature Cell Biology｜張勇/高紹榮/劉文強(qiáng)合作揭示小鼠早期胚胎發(fā)育中潛在印記控制區(qū)域的重要作用
在哺乳動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中，DNA甲基化、組蛋白修飾等表觀遺傳修飾，在父母源基因組經(jīng)歷了不同模式的重編程。一些親本間差異的表觀遺傳修飾能夠逃脫早期胚胎發(fā)育過(guò)程的重編程，其中最典型的是印記控制區(qū)域（imprinting control regions, ICRs）。ICR在胚胎發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用，其表觀遺傳修飾的異常會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育的異常。目前在小鼠中僅發(fā)現(xiàn)21個(gè)ICR，識(shí)別新的親本表觀遺傳特異的功能性區(qū)域面臨如下挑戰(zhàn)：依賴于品系間單核苷酸多態(tài)性（SNP）識(shí)別親本間表觀遺傳異質(zhì)性的識(shí)別方法分辨率低且假陽(yáng)性率高，并且難以預(yù)測(cè)特定基因組區(qū)域是否具有等位基因特異性的調(diào)控功能。
??2022年4月28日，同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張勇教授與高紹榮教授課題組合作在Nature?Cell?Biology在線發(fā)表了題為Allele-specific H3K9me3 and DNA methylation co-marked CpG-rich regions serve as potential imprinting control regions in pre-implantation embryo的研究論文，報(bào)道了小鼠植入前胚胎發(fā)育過(guò)程中DNA甲基化的維持需要H3K9me3，并在H3K9me3和DNA甲基化共同標(biāo)記的CpG富集區(qū)域鑒定出22個(gè)潛在的印記控制區(qū)域。
高紹榮/張勇近年來(lái)合作揭示了小鼠早期胚胎發(fā)育過(guò)程中H3K4me3、H3K27me3、H3K9me3及核小體定位的建立過(guò)程及規(guī)律[1-3]。通過(guò)對(duì)已發(fā)表數(shù)據(jù)的重新分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了小鼠植入前胚胎中DNA甲基化和 H3K9me3在CpG富集區(qū)域呈高度正相關(guān)，而且H3K9me3修飾有助于這些區(qū)域逃脫DNA去甲基化。研究人員開發(fā)了計(jì)算生物學(xué)工具PCAR去識(shí)別共同標(biāo)記H3K9me3和DNA甲基化的CpG富集區(qū)域（CHM），并發(fā)現(xiàn)CHM是小鼠植入前胚胎中DNA甲基化維持的熱點(diǎn)區(qū)域。
為了高分辨率地探究親本間CHMs的差異，研究人員在孤雌、孤雄胚胎中產(chǎn)生了單親本的H3K9me3和DNA甲基化數(shù)據(jù)，鑒定出1,279個(gè)親本特異性CHM（asCHM），其中包括19個(gè)已知的ICR。與ICR類似，asCHM中近一半從配子中繼承親本特異的表觀遺傳信息；與ICR不同，大部分asCHM在胚胎植入后丟失表觀遺傳親本特異性。研究人員通過(guò)共注射編碼H3K9me3去甲基化酶的Kdm4b及靶向H3K9me3甲基轉(zhuǎn)移酶基因Suv39h1/2和Setdb1的siRNAs敲降H3K9me3，證實(shí)了降低H3K9me3水平減弱了asCHM的親本間DNA甲基化水平的不平衡。
進(jìn)一步，研究人員建立了親本特異性調(diào)控功能的預(yù)測(cè)體系，從asCHM中鑒定出22個(gè)與類似ICR的區(qū)域（ICRLR）。研究人員選擇了5個(gè)長(zhǎng)度較短的ICRLR進(jìn)行功能驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這些ICRLR的敲除造成了囊胚發(fā)育遲緩，同時(shí)它們潛在靶基因的親本特異性表達(dá)丟失，其中mCHM_177敲除后的表型尤其明顯。研究人員發(fā)現(xiàn)父源特異性mCHM_177的敲除嚴(yán)重影響胚胎發(fā)育，而母源特異性敲除幾乎沒(méi)有影響。mCHM_177的潛在靶基因Brd2的親本特異性敲除也產(chǎn)生類似的表型，表明mCHM_177的作用機(jī)制與已知的母源特異性ICR類似，可以通過(guò)控制周圍基因的親本特異性表達(dá)影響胚胎發(fā)育（圖1）。該研究揭示了在植入前胚胎發(fā)育過(guò)程中存在的親本特異性CHM具有重要生物學(xué)功能，并且拓展了哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過(guò)程中親本特異性調(diào)控的范圍。
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圖1?ICRLR功能驗(yàn)證
張勇教授實(shí)驗(yàn)室的博士生楊繪、高紹榮教授實(shí)驗(yàn)室的博士生柏丹丹、李延鶴博士及張勇教授實(shí)驗(yàn)室的博士生余招偉為本文的共同第一作者。張勇教授、高紹榮教授及劉文強(qiáng)研究員為本文的共同通訊作者。
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參考文獻(xiàn)
1. Liu et al. Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3 chromatin domains in pre-implantation embryos. Nature (2016) 537:558-562.
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