清华颉伟组和同济高绍荣组在《自然》发表“背靠背”论文，揭示早期胚胎发育的表观遗传图景

　　2016年09月18日讯 随着表观遗传学的生化方面的机制研究得日益透彻，其生物学意义也在不断扩展，在诸如干细胞、免疫、神经、疾病模型和肿瘤等领域也成为最热门的交叉领域。然而在早期胚胎发育方面，虽然人们对这一主题很感兴趣，但是受制于细胞数量极为有限而一直缺乏系统深入的研究。另外，表观遗传信息如组蛋白修饰是否能够真正在亲代与子代间遗传仍然知之甚少。

　　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、同济大学高绍荣实验室分别在《自然》杂志（Nature）发表“背靠背”的研究论文（清华方面，颉伟研究员和那洁研究员为文章共同通讯作者；同济方面，高绍荣教授、高亚威副教授和张勇教授为文章共同通讯作者）。随后，颉伟研究组还于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》。

　　此外非常值得一提的是，《Nature》同期还发布了第三篇类似于颉伟组和高绍荣组的文章，巧合的是颉伟老师博后期间的导师任兵教授是这篇文章的共同通讯作者，另外两位通讯作者是来自挪威奥斯陆大学的Arne Klungland和John Arne Dahl。和高绍荣组的论文一样，任冰和Arne Klungland、John Arne Dahl等的论文也发现了早期胚胎的基因组中启动子区的在基因组激活后存在大量“宽广的” （broad）H3K4me3修饰区域。此外，除了检测H3K4me3修饰的动态变化，还检测了H3K27ac修饰，相比之下，从卵细胞到2细胞期胚胎的发育过程中H3K27ac修饰在基因组的覆盖显着的增加。

　　鉴于《Nature》同时在线发表了3篇类似的工作，同时在线发表的还有一篇评论《发育生物学：早期表观基因组的全景展望》（Developmental biology： Panoramic views of the early epigenome），作者是法国CNRS和德国亥姆霍兹研究所的Maria-ElenaTorres-Padilla和马普分子医学研究所的Juan Vaquerizas。评论指出，这三篇文章，加上6月份颉伟组在Nature发表的论文，共同展示了受精后及胚胎发育早期组蛋白修饰的变化细节，以及染色质开放程度对基因表达的调节，和表观遗传信息是怎样在亲代和子代之间传递的。

　　今年6月，颉伟研究组刚刚在Nature发表过重磅长文（Article），利用少量细胞的进行ATAC-seq，研究了着床前胚胎染色质的开放状态，BioArt曾予以报道（清华颉伟组在《自然》长文报道哺乳动物着床前胚胎染色质动态调控图谱）。这次颉伟组的《Nature》论文题为《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 histonemodification H3K4me3 in early mammalian development）。高绍荣实验室的《Nature》论文题为《植入前胚胎中H3K4me3和H3K27me3染色体区域的不同特征》（Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3chromatin domains in pre-implantation embryos）。加上颉伟组的《Molecular Cell》论文，这三篇论文首次从全基因组水平上揭示了小鼠从配子到植入前胚胎发育过程中组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me3遗传和重编程的模式和分子机制，颉伟组的Nature论文还首次报道了哺乳动物组蛋白修饰是否能从父代和母代分别遗传到子代，以及如何传递的模式。

　　受精之后，父源和母源的基因组要进行广泛的表观遗传重塑以适应胚胎发育的需要。组蛋白的转录后修饰直接调控了基因表达的激活和沉默。过去的研究，局限于使用抗体进行免疫荧光染色对组蛋白修饰在早期胚胎发育过程中的变化进行研究。虽然也看到了组蛋白修饰水平在整体上的变化，但是抗体染色的分辨率显然不能在基因组水平进行研究。能够达到基因组水平的方法是ChIP-seq技术，也就是利用特定组蛋白修饰的抗体进行染色体免疫共沉淀并结合二代测序。但是一般的ChIP--seq都需要百万的细胞数量，而植入前胚胎的细胞量很少，因此传统的ChIP-seq技术是不可能的。

　　比较这两篇论文我们可以看到，两个研究小组都开发了新的可以用极少量细胞进行ChIP-seq的新技术。他们都用基于MNase digestion的native ChIP取代需要交联的xChIP。颉伟组结合他们去年发表的一种新型的建库技术（TELP），开发出 STAR ChIP-seq。而高绍荣研究组利用并改进了Matthew Lorincz实验室2015年发表的适用于低起始量细胞的ULI-NchIP （ultra-low-input micrococcal nuclease-based native ChIP）技术，检测了小鼠植入前胚胎发育各个时期的组蛋白H3K4me3和H3K27me3修饰变化情况，发现两种修饰的建立规律明显不同。

　　高绍荣组和颉伟组在Nature的工作很有互补性。高绍荣组研究重点在基因组激活后（2细胞后）启动子区的H3K4me3 （promoter H3K4me3），而颉伟组研究主要关注了基因组激活前（2细胞前）非启动子区H3K4me3 （non-promoter H3K4me3）。高绍荣组发现在早期胚胎的基因组中启动子区的H3K4me3在基因组激活后（2细胞到blastocyst）存在大量“宽广的” （broad）（>5kb）H3K4me3修饰区域，这个在体细胞和细胞系中含量则很低。为了进一步研究H3K4me3的功能，高绍荣研究组使用在受精卵siRNA敲降技术，发现敲降Kdm5b会导致基因组上H3K4me3信号普遍的延长，以及胚胎发育的阻滞。高绍荣实验室的结果除了检测小鼠植入前胚胎发育各个时期组蛋白H3K4me3修饰（主要与基因表达激活相关）的变化，还检测了另一个重要的组蛋白修饰H3K27me3（主要与基因表达沉默相关）的变化。通过得到的数据分析，他们发现组蛋白H3K4me3和H3K27me3修饰的建立规律明显不同，H3K4me3修饰的建立更迅速，并且倾向于建立在CpG含量较高且DNA甲基化水平较低的启动子区域，而H3K27me3修饰的建立比较缓慢，并且倾向于建立在CpG含量较低的启动子区域。值得一提的是，高绍荣实验室有多名老师和学生参与了颉伟组小鼠原核（mouse pronuclei）部分的工作。

　　颉伟研究组的Nature论文侧重于研究组蛋白修饰H3K4me3从亲代到子代的遗传模式，尤其是精子和卵子来源 H3K4me3的动态变化。很有意思的是，颉伟组发现在不转录的卵子以及基因组激活前的1细胞，2细胞早期，H3K4me3呈现一种非经典形式（non-canonical H3K4me3），并且大量出现在非启动子区（non-promoter region）比如基因间区（intergenic region）。通过在卵子中过表达去甲基化酶KDM5B来去除H3K4me3，研究人员惊奇的发现这种非经典的H3K4me3可能是对卵子的基因组沉默（而不是激活）是必需的。

　　颉伟组在《Molecular Cell》的论文中研究了另一个关键组蛋白修饰H3K27me3 在亲代和子代间遗传和重编程的模式。这个工作发现精子和卵子中启动子区的H3K27me3受精后都被擦除，而卵子中一部分非启动子区的H3K27me3被保留了下来。由于H3K27me3是作为细胞命运记忆的关键表观遗传调控因子，这个工作提示很多（但非全部）父母双方的表观遗传记忆在早期胚胎发育过程中会被擦除。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。

　　这三篇论文综合起来，完整地勾勒出一幅从配子一直到囊胚时期的两种组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me动态变化的表观遗传学图景，为下一步研究植入前胚胎发育及早期细胞分化的表观遗传调控机制奠定了坚实的基础。这种背靠背的发表方式（同一期刊同时发表同一主题的多篇论文），既反映了这个领域的重要意义和因此带来的科学竞争的激烈程度，同时也有助于多个研究组的发现互相印证、补充，更深入揭示一个科学问题。特别值得一提是，两篇《Nature》文章都是在国内完成的，而且课题组之间保持着非常良好的合作关系。

　　值得指出的是，由于这种类型的课题都需要实验台上的实验（湿的实验，wet lab）和数据分析（干的实验，dry lab）的紧密配合才能完成，这两篇文章都是四个并列一作。这也反映了以后生物学课题的一种组织模式：需要多个研究者、实验和生物信息密切配合完成。

　　颉伟研究员出身于著名的Michael Grunstein（表观遗传领域的先驱之一，80年代证明组蛋白在细胞内能够调控基因转录）和任兵实验室（任兵发明了ChIP-on-chip，在表观遗传学高通量测序，近年在3D基因组领域做了很多精彩工作），2013年起到清华大学建立自己独立的实验室，从今年开始发力，连发两篇Nature。高绍荣教授在哺乳动物胚胎发育重编程领域做了很多重要工作，曾在NIBS（北京生命科学研究所）任PI，2012年起在同济大学建立实验室并任生科院院长，早已奠定了学术地位，这次的Nature工作又首次建立起了小鼠植入前胚胎发育过程中的组蛋白修饰图谱。

　　鉴于上述三篇国内重量级文章和国外一篇相似文章的同期发表，BioArt有幸请到了来自哈佛大学医学院张毅教授课题组陆发隆博士做特别评论，陆博士今年6月曾以第一作者身份在Cell发表过一篇关于早期胚胎发育过程中染色质结构动态变化的重量级文章。