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表觀遺傳標(biāo)記在調(diào)節(jié)染色質(zhì)狀態(tài)和基因表達(dá)方面起著關(guān)鍵作用，與DNA序列一致，可以通過細(xì)胞周期維持這些修飾以傳輸細(xì)胞身份的記憶。表觀基因組的異常導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)育缺陷和人類疾病。受精提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，不僅可以傳遞遺傳信息，還可以傳遞父母對早期胚胎的表觀遺傳信息。特別是，卵母細(xì)胞通過不僅傳遞大量的RNA和蛋白質(zhì)而且還傳遞某些表觀遺傳標(biāo)記，對胚胎發(fā)生產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。例如，盡管受精后進(jìn)行了廣泛的表觀遺傳重編程，但在印跡基因座上建立的卵母細(xì)胞DNA甲基化在胚胎中是穩(wěn)定遺傳的，并能使等位基因特異性基因表達(dá)。母體對DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的消耗導(dǎo)致植入后致死率。同樣，新出現(xiàn)的證據(jù)表明，母系遺傳的組蛋白修飾也可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)染的H3K27me3可以調(diào)節(jié)早期小鼠胚胎中的等位基因特異性基因表達(dá)和X染色體失活。這些數(shù)據(jù)表明母體表觀基因組在卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)生中起重要作用。

值得注意的是，最近低輸入染色質(zhì)分析技術(shù)的發(fā)展揭示了卵子發(fā)生過程中令人驚訝的獨(dú)特表觀基因組景觀。例如，卵母細(xì)胞中的DNA甲基化由轉(zhuǎn)錄引導(dǎo)并沉積在包括基因間轉(zhuǎn)錄單位的活性基因體中，留下未轉(zhuǎn)錄的區(qū)域甲基化不良以形成部分甲基化的結(jié)構(gòu)域（PMD）。這種轉(zhuǎn)錄依賴性的從頭DNA甲基化對于在卵子發(fā)生過程中建立印記至關(guān)重要。對于組蛋白標(biāo)記，H3K4me3出現(xiàn)在生長小鼠卵母細(xì)胞的啟動(dòng)子中，但在完全成長的卵母細(xì)胞（FGO）中采用非規(guī)范分布，其中它廣泛分布在PMD中。 H3K27me3在生長的卵母細(xì)胞中廣泛存在，在大多數(shù)沒有轉(zhuǎn)錄的區(qū)域發(fā)生，然后被限制為FGOs中的一部分PMD。 H3K4me3和H3K27me3都存在于PMD中的事實(shí)與它們拮抗DNA甲基化的觀點(diǎn)一致。有趣的是，最近的一項(xiàng)研究表明，H3K4me3僅顯示出缺乏DNA甲基化的小鼠卵母細(xì)胞的中度變化。因此，尚未闡明非經(jīng)典H3K4me3和H3K27me3如何沉積在卵母細(xì)胞基因組中

SETD 2調(diào)控卵母細(xì)胞表觀遺傳重編程作用模型

在這里，研究人員報(bào)告組蛋白 - 賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶SETD2，一種H3K36me3甲基轉(zhuǎn)移酶，是小鼠卵母細(xì)胞表觀基因組的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。 Setd2的缺乏導(dǎo)致卵母細(xì)胞表觀基因組的廣泛改變，包括H3K36me3的缺失，建立正確的DNA甲基化組的失敗，H3K4me3和H3K27me3侵入前H3K36me3區(qū)域以及在印記控制區(qū)域異常獲得H3K4me3而不是DNA甲基化。重要的是，SETD2的母體耗竭導(dǎo)致卵母細(xì)胞成熟缺陷和受精后隨后的單細(xì)胞停滯。植入前停滯主要是由于母體細(xì)胞溶質(zhì)缺陷，因?yàn)樗梢栽诤艽蟪潭壬媳徽５穆涯讣?xì)胞細(xì)胞溶質(zhì)所拯救。然而，染色質(zhì)缺陷，包括異常印記，在這些胚胎中持續(xù)存在，導(dǎo)致植入后的胚胎致死率。因此，這些數(shù)據(jù)將SETD2確定為建立母體表觀基因組的關(guān)鍵參與者，而母體表觀基因組又控制胚胎發(fā)育。

2017年12月5日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉研究組在《自然-遺傳》期刊（Nature Genetics）以長文形式發(fā)表了題為《小鼠早期胚胎發(fā)育譜系分化過程中表觀基因組動(dòng)態(tài)調(diào)控》（Dynamic epigenomic landscapes during early lineage specification in mouse embryos）的研究論文，系統(tǒng)報(bào)道了哺乳動(dòng)物早期譜系分化過程中表觀遺傳信息是如何建立和動(dòng)態(tài)調(diào)控的。

哺乳動(dòng)物的器官及組織均是由一個(gè)全能性受精卵不斷分裂和分化而形成的。在受精后，很多親代的表觀遺傳信息如DNA甲基化等會(huì)被擦除，而子代的表觀基因組隨之重新建立。包括頡偉實(shí)驗(yàn)室等研究組前期的工作證明，組蛋白修飾在胚胎著床前同樣大部分也會(huì)被擦除。在早期胚胎發(fā)育過程中，子代表觀遺傳信息如何建立并參與調(diào)控細(xì)胞分化發(fā)育是個(gè)體發(fā)育研究的基本問題之一。然而由于實(shí)驗(yàn)材料的稀缺和細(xì)胞譜系分離的困難，人們對早期胚胎中細(xì)胞命運(yùn)決定過程中表觀遺傳信息的建立和動(dòng)態(tài)調(diào)控知之甚少。

本研究中，研究者仔細(xì)分離了小鼠胚胎著床前后（E3.5至E7.5）發(fā)育過程中分化出的11種組織，并研究了該譜系分化過程中的轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，利用前期與新加坡研究局合作實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的少量DNA建庫方法（TELP），研究者成功建立了一種全基因組單堿基分辨率甲基化檢測方法STEM-seq。以此為基礎(chǔ)，研究者獲得了以上組織單堿基測序精度全基因組甲基化圖譜（圖1）。

研究發(fā)現(xiàn)，CG和CH甲基化位點(diǎn)均存在親本及譜系特異甲基化重建模式。其中胚內(nèi)及胚外組織的甲基化水平在關(guān)鍵調(diào)控因子啟動(dòng)子及DNA甲基化谷（DNA methylation valley）區(qū)域出現(xiàn)顯著差異。另外，利用實(shí)驗(yàn)室前期開發(fā)的高靈敏染色質(zhì)三維構(gòu)象捕捉方法sisHi-C，研究人員檢測了早期胚胎發(fā)育過程中不同譜系染色質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)著床前胚胎父本基因組去甲基化以及著床后胚外組織甲基化重建模式均與染色體高級結(jié)構(gòu)區(qū)間（compartment）高度相關(guān)。而在后期的原腸運(yùn)動(dòng)過程中，不同胚層間甲基化動(dòng)態(tài)調(diào)控主要發(fā)生在局部區(qū)域。通過尋找這些甲基化動(dòng)態(tài)變化區(qū)域，研究者鑒定了這個(gè)時(shí)期可能的基因表達(dá)調(diào)控元件如增強(qiáng)子以及潛在的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子。最后，研究人員發(fā)現(xiàn)胚胎著床后甲基化重建過程以及譜系差異甲基化在體外發(fā)育的胚胎中可以較好的重現(xiàn)，提示這個(gè)過程并不完全依賴于胚胎的母體著床。綜上所述，以上研究系統(tǒng)地揭示了哺乳動(dòng)物中早期胚胎譜系分化及細(xì)胞命運(yùn)決定過程中表觀遺傳信息的建立和動(dòng)態(tài)調(diào)控過程。

2016年12月1日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉研究組在《分子細(xì)胞》期刊（Molecular Cell）在線發(fā)表了題為《TET1蛋白亞型轉(zhuǎn)換調(diào)控DNA去甲基化和小鼠發(fā)育》（Isoform switch of TET1 regulates DNA demethylation and mouse development）的研究論文，揭示了DNA甲基氧化酶TET1通過亞型轉(zhuǎn)換調(diào)控DNA甲基化和基因印記擦除的機(jī)制。

DNA甲基化是一種經(jīng)典的表觀遺傳修飾。DNA甲基化能夠參與基因表達(dá)調(diào)控，影響基因組穩(wěn)定性和個(gè)體發(fā)育，并可以通過基因印記這種特殊形式在親代和子代間傳遞表觀遺傳記憶。在這些生理學(xué)過程中，DNA甲基化的建立、維持和去除的精確調(diào)控起著至關(guān)重要的作用。其中DNA甲基氧化酶TET蛋白家族的成員能夠介導(dǎo)DNA甲基化的主動(dòng)去除，其功能是個(gè)體發(fā)育所必需的。然而，TET蛋白在基因組上到底是如何尋找其底物并正確地執(zhí)行催化功能仍然是尚未清楚闡明的重要問題。

在論文中，研究人員通過細(xì)致地觀測轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，意外地發(fā)現(xiàn)TET蛋白家族成員TET1在小鼠不同發(fā)育時(shí)期中存在兩個(gè)亞型。其中全長TET1亞型（TET1e）僅在小鼠早期胚胎、小鼠胚胎干細(xì)胞和原始生殖細(xì)胞中表達(dá)；而缺失N端的短TET1亞型（TET1s）則廣泛表達(dá)于小鼠的體細(xì)胞中。有趣的是，短亞型TET1s正好去掉了通常用來介導(dǎo)蛋白與DNA結(jié)合的CXXC結(jié)構(gòu)域。然而進(jìn)一步的ChIP-seq（結(jié)合位點(diǎn)分析法）研究表明，這兩種蛋白亞型在全基因組中有著相似的分布模式，都能在基因組的富含CpG島（胞嘧啶—磷酸—鳥嘌呤CpG island）的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合。相反，全長亞型TET1e相比于短亞型TET1s有著更強(qiáng)的整體染色體親和能力。這種整體染色體親和能力能夠顯著促進(jìn)DNA去甲基化能力。通過精心設(shè)計(jì)的遺傳操作，研究人員建立了在整個(gè)生命周期中只能表達(dá)短亞型TET1s的小鼠模型。在這些小鼠的原始生殖細(xì)胞中，基因組印記不能被正確地去除。而原始生殖細(xì)胞中基因印記的擦除是對配子中基因印記的性別特異性重建和傳遞到下一代所必需的。因此這種擦除缺陷影響了正確的基因印記重建，并導(dǎo)致下一代發(fā)育缺陷包括部分個(gè)體體型縮小或死亡。因此，本研究工作展示了代間表觀遺傳記憶的調(diào)控可以通過一個(gè)簡單的TET蛋白亞型轉(zhuǎn)換而實(shí)現(xiàn)。】

本文另外一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，TET1介導(dǎo)的DNA去甲基化并不依賴于ChIP-seq檢測到的靶向性結(jié)合位點(diǎn)。很多ChIP-seq檢測不到結(jié)合的地方都能夠發(fā)生DNA去甲基化。研究人員認(rèn)為這些區(qū)域的去甲基化可能是通過染色體的整體親和性(Global binding)介導(dǎo)并與底物的短暫接觸完成的。相反，ChIP-seq檢測到的特定位點(diǎn)的結(jié)合(Targeted binding)通常是基因組內(nèi)相對穩(wěn)定持續(xù)的蛋白結(jié)合，而這種結(jié)合很多是與轉(zhuǎn)錄調(diào)控等需要持續(xù)進(jìn)行的過程相關(guān)。作為一個(gè)相關(guān)證據(jù)，TET1的N端（去掉CXXC結(jié)構(gòu)域）具有很強(qiáng)的整體染色體親和性，但是幾乎很難檢測到明顯的ChIP-seq峰，而其他部分（TET1s）具有較弱的染色體親和性，但卻可以檢查到明顯的ChIP-seq信號(hào)。這些工作提示一個(gè)染色質(zhì)調(diào)控蛋白的整體染色質(zhì)親和能力和特定區(qū)域的結(jié)合能力需要區(qū)分對待。一個(gè)調(diào)控因子的功能可能并不局限于ChIP-seq檢測到的結(jié)合位點(diǎn)。

2016年9月15日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉和醫(yī)學(xué)院那潔研究組在《自然》雜志（Nature）上發(fā)表題為《哺乳動(dòng)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(xì)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(bào)道了哺乳動(dòng)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(jī)制。

在哺乳動(dòng)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(shí)能夠部分從親代的生殖細(xì)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(dòng)的重要調(diào)控因子。然而，由于實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)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(xué)領(lǐng)域長久以來懸而未決的問題。清華大學(xué)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(xì)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(jī)制。

在《自然》論文中，研究人員主要報(bào)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(huì)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(xì)胞中H3K4me3展現(xiàn)出了一種完全不同于以往任何一種細(xì)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(shí)的保留了下來。在二細(xì)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(huì)被迅速的擦除。取而代之的是在來自雙親的基因組上同時(shí)建立新的經(jīng)典的H3K4me3模式。最后，研究人員進(jìn)一步探索了ncH3K4me3在卵細(xì)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。

在《分子細(xì)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(dòng)子區(qū)域的H3K27me3會(huì)在受精后快速的被特意擦除，而非啟動(dòng)子區(qū)的H3K27me3則被保留了下來。這個(gè)結(jié)果表明啟動(dòng)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(biāo)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(gè)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(dú)特的表觀調(diào)控機(jī)制和模式。

5Nature：生命學(xué)院頡偉研究組發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物著床前胚胎染色質(zhì)動(dòng)態(tài)調(diào)控圖譜

2016年6月15日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉研究組在《自然》以長文形式報(bào)道哺乳動(dòng)物著床前胚胎染色質(zhì)動(dòng)態(tài)調(diào)控圖譜。在生命起始時(shí)期，精子和卵子的結(jié)合啟動(dòng)了一系列劇烈的染色體重編程事件。這種重編程能夠幫助介導(dǎo)基因組轉(zhuǎn)錄的重新啟動(dòng)，塑造嶄新的全能性胚胎，并為之后的胚胎發(fā)育和組織分化奠定基礎(chǔ)。然而在這個(gè)過程中受精卵的染色體到底是如何動(dòng)態(tài)變化的，染色質(zhì)的重編程又是如何協(xié)助胚胎特異基因激活這兩個(gè)問題一直是未解之謎。但由于早期胚胎材料的稀缺，目前的技術(shù)手段都難以施展該項(xiàng)研究。

開放染色質(zhì)定位技術(shù)（ATAC-seq）和線粒體DNA去除技術(shù)（CARM）用于研究早期胚胎的開放染色質(zhì)區(qū)域

基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵調(diào)控元件通常坐落在染色質(zhì)開放區(qū)域。在前期斯坦福大學(xué)開發(fā)的少量細(xì)胞染色質(zhì)開放區(qū)域定位技術(shù)（ATAC-seq）的基礎(chǔ)上，清華大學(xué)頡偉組利用CRISPR基因編輯系統(tǒng)，成功克服了早期胚胎中大量母源線粒體基因組DNA對該技術(shù)的干擾，呈現(xiàn)了小鼠胚胎早期發(fā)育中開放染色質(zhì)和基因調(diào)控元件的精確動(dòng)態(tài)調(diào)控圖譜。該研究發(fā)表在6月15日的《自然》雜志上。

從這一工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)胚胎中來源于父母本的兩套染色體在2細(xì)胞時(shí)期已經(jīng)建立了相似的染色質(zhì)開放區(qū)域。除了在基因啟動(dòng)子，這些區(qū)域還特異地集中在基因組的重復(fù)序列和基因轉(zhuǎn)錄的終止位置。這些發(fā)現(xiàn)暗示著在胚胎早期發(fā)育過程中存在著更為豐富的調(diào)控方式。另外，研究人員還通過開放染色質(zhì)鑒定到可能的基因調(diào)控元件和相關(guān)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子，并通過基因敲低實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其中兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子對胚胎中最早細(xì)胞分化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄程序起重要的調(diào)控作用。最后，研究人員檢測了胚胎基因組激活前的染色質(zhì)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)該時(shí)期的染色體不同于基因組激活后的胚胎和體細(xì)胞，可能處于一種整體更加松散的狀態(tài)。綜上所述，這項(xiàng)工作不僅發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物早期發(fā)育過程中染色體動(dòng)態(tài)變化的特征以及可能的調(diào)控元件和轉(zhuǎn)錄因子，還揭示了在這個(gè)過程中染色質(zhì)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件不同于體細(xì)胞的特殊作用模式。

早期胚胎發(fā)育中合子基因組激活（ZGA）前后不同時(shí)期的染色質(zhì)狀態(tài)