來(lái)源：生物世界 2023-09-07 11:02
該研究結(jié)果揭示親代組蛋白遺傳保證了組蛋白修飾景觀的遺傳，有助于胚胎干細(xì)胞分化和小鼠早期胚胎發(fā)育。該發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解表觀遺傳信息在細(xì)胞分裂過(guò)程中在子代細(xì)胞中的分配和繼承性具有重要科學(xué)意義和潛在貢獻(xiàn)。
近年來(lái)，甘海云研究員與合作者通過(guò)開(kāi)發(fā)eSPAN（enrichment and sequencing of protein-associated nascent DNA）技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了DNA復(fù)制過(guò)程中傳遞親代組蛋白的分子伴侶，揭示了親代組蛋白遺傳的分子機(jī)制。Mcm2（Mcm2-7解旋酶的一個(gè)亞基）通過(guò)與Ctf4和Pola1的相互作用將親代組蛋白傳遞到復(fù)制DNA的滯后鏈。而Pole3和Pole4（前導(dǎo)鏈DNA聚合酶的兩個(gè)亞基）則通過(guò)相互作用促進(jìn)親代組蛋白傳遞到前導(dǎo)鏈。在DNA復(fù)制過(guò)程中Mcm2-Ctf4-Pola1和Pole3/Pole4保證了親代組蛋白及其翻譯后修飾在姐妹染色單體上的對(duì)稱分配（圖1）。然而，DNA復(fù)制中親代組蛋白如何調(diào)控表觀信息傳遞及其生物學(xué)意義尚不清楚。
圖1 ：DNA復(fù)制耦聯(lián)的親代組蛋白表觀信息傳遞
2023年9月4日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所甘海云課題組在 Nature Genetics 期刊發(fā)表了題為：Symmetric inheritance of parental histones contributes to safeguarding the fate of mouse embryonic stem cells during differentiation（親代組蛋白的對(duì)稱遺傳保護(hù)小鼠胚胎干細(xì)胞分化中的命運(yùn)）的文章。
該研究發(fā)現(xiàn)，親代組蛋白對(duì)稱分配和遺傳保證了小鼠胚胎干細(xì)胞的分化和早期小鼠胚胎發(fā)育。
甘海云研究員課題組在前期發(fā)現(xiàn)MCM2功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)點(diǎn)突變（Mcm2-2A：Y81A/Y90A）獲得缺失MCM2組蛋白結(jié)合功能的小鼠胚胎干細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)，舊組蛋白（如H3K27me3）分配失衡，組蛋白修飾在全基因組范圍的分布出現(xiàn)異常（如H3K27me3， H3K9me3和H3K4me3），胚胎干細(xì)胞向神經(jīng)細(xì)胞分化潛能降低。進(jìn)一步通過(guò)構(gòu)建Mcm2-2A小鼠發(fā)現(xiàn)，純合子小鼠早期胚胎發(fā)育缺陷，胚胎致死。親代組蛋白對(duì)稱分配和遺傳對(duì)胚胎干細(xì)胞分化和早期小鼠胚胎發(fā)育具有保護(hù)作用。
親代組蛋白攜帶的修飾蘊(yùn)含了大量的表觀遺傳信息（比如與細(xì)胞分化和個(gè)體發(fā)育密切相關(guān)的H3K27me3， H3K9me3和H3K4me3）。DNA復(fù)制偶聯(lián)的核小體組裝過(guò)程中，新生成的染色質(zhì)包含大約等量的親代組蛋白和新組蛋白，子細(xì)胞中被稀釋了一半的組蛋白修飾通過(guò)重建恢復(fù)到原有水平，比如H3K27me3通過(guò)“讀-寫(xiě)”機(jī)制實(shí)現(xiàn)重建。不同組蛋白修飾重建的速度不同，H3K4me3可實(shí)現(xiàn)快速重建，而H3K27me3和H3K9me3重建較慢，在一個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)無(wú)法完全恢復(fù)。
在DNA復(fù)制過(guò)程中，親代組蛋白分配失衡可能會(huì)導(dǎo)致不同子細(xì)胞中遺傳了不同的組蛋白修飾分布景觀，及其可能導(dǎo)致的轉(zhuǎn)錄水平改變。通過(guò)單細(xì)胞H3K27me3 CUT&Tag，單細(xì)胞RNA-seq和LARRY-Barcode譜系追蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在向神經(jīng)細(xì)胞分化的體系中Mcm2-2A胚胎干細(xì)胞具有向三胚層均分化的趨勢(shì)。分析發(fā)現(xiàn)，H3K27me3分布的異質(zhì)性增加，轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性也增加，與發(fā)育相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平與該基因位點(diǎn)的H3K27me3反向相關(guān)。親代組蛋白分配失衡提高了子細(xì)胞群體的基因表達(dá)和表觀狀態(tài)異質(zhì)性，影響了子細(xì)胞的命運(yùn)決定。
在小鼠胚胎干細(xì)胞bivalent基因的啟動(dòng)子位點(diǎn)，組蛋白變體H3.3參與建立正確的H3K27me3分布模式。通過(guò)eSPAN發(fā)現(xiàn)在Mcm2-2A胚胎干細(xì)胞中H3.3表現(xiàn)出滯后鏈偏好。同時(shí)，H3K27me3分布的變化隨著H3.3的改變而改變。親代組蛋白分配失衡，不僅改變了緩慢重建組蛋白修飾的分布，也改變了組蛋白變體的定位，進(jìn)而在全基因組范圍影響組蛋白及其修飾的景觀，從而改變了細(xì)胞的命運(yùn)。
該研究結(jié)果揭示親代組蛋白遺傳保證了組蛋白修飾景觀的遺傳，有助于胚胎干細(xì)胞分化和小鼠早期胚胎發(fā)育。該發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解表觀遺傳信息在細(xì)胞分裂過(guò)程中在子代細(xì)胞中的分配和繼承性具有重要科學(xué)意義和潛在貢獻(xiàn)。
Nature Genetics 期刊同期上線了來(lái)自巴黎西岱大學(xué) Pablo Navarro 教授題為：A fork in the road to differentiation 的評(píng)論文章，該文章指出，過(guò)去幾十年的研究在DNA復(fù)制過(guò)程中染色質(zhì)狀態(tài)維持相關(guān)的分子機(jī)制方面取得了特別豐碩的成果，但仍舊有一個(gè)主要問(wèn)題尚未解決：DNA復(fù)制過(guò)程中組蛋白修飾的遺傳在多大程度上調(diào)控細(xì)胞的身份？甘海云研究組的這項(xiàng)研究清楚地表明，組蛋白修飾的表觀遺傳參與了子代細(xì)胞身份的正確建立，這表明表觀遺傳調(diào)控不僅僅是穩(wěn)定已建立的細(xì)胞狀態(tài)。相反，它有力地促進(jìn)了發(fā)育所需的動(dòng)態(tài)變化。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院甘海云研究員為論文通訊作者。助理研究員文青、周嘉琦、田聰聰、博士生李欣然、西北農(nóng)林科技大學(xué)客座碩士生宋貴兵為論文的共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)藥所能量代謝與生殖研究中心雷曉華副研究員及其課題組博士生馬馳原、博士后李秦在本研究的小鼠胚胎實(shí)驗(yàn)中給予了大力支持和提出了寶貴意見(jiàn)。
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