頡偉/劉江組背靠背在Nature和Cell報道哺乳動物著床前胚胎染色體三維結構重編程專家點評

BioArt按：表觀遺傳學信息在早期胚胎髮育中是否被遺傳，以及如果被遺傳的話，其遺傳規律和機製為何，一直都是生物學裡的核心問題。隨著新的高通組學技術發展，近年來對這一問題從不同層面有了較深入的研究。高等生物的DNA複製、基因轉錄都是在細胞核的三維空間中完成，細胞核的三維空間和基因組結構對相關的生物功能影響很大。其中一個重要的生物學問題是配子、合子和早期胚胎髮育過程中，基因組的三維結構是什麼樣的、以及與發育的關係如何。7月12-13日，清華大學生命科學學院頡偉研究組和中科院北京基因組研究所劉江研究組（上海科技大學黃行許教授為共同通訊作者）分別在Nature雜誌和Cell雜誌「背靠背」發表研究論文，系統報道了哺乳動物染色體三維結構在著床前胚胎髮育過程中的動態重編程過程。兩篇文章均很好地描述了配子、合子和早期胚胎細胞的三維基因組結構特點，為研究者認識早期胚胎中真實的立體的基因組結構做了良好的鋪墊，也為研究者解釋早期胚胎髮育中精細調控提供了重要的調控模式。鑒於這兩項工作的重要意義，BioArt特別邀請到了北京大學生命科學學院李程研究員、中科院北京基因組研究所張治華研究員和華中農業大學李國亮教授對上述工作進行了專業點評，以饗讀者！

論文解讀：

在哺乳動物中，受精後的合子其染色質空間結構會經歷一輪劇烈的重編程過程【1】。表觀遺傳學信息在早期胚胎髮育中是否被遺傳，以及如果被遺傳的話，其遺傳規律和機製為何，一直都是生物學裡的核心問題。過去幾年，隨著一系列方法學的突破，人們逐漸認識到了高等生物早期胚胎髮育過程中染色質可接近性（Chromatin accessiblility ）、DNA甲基化和組蛋白修飾等系列生物學事件的動態變化過程。在這方面，來自中科院基因組研究所的劉江課題組【2,3】、清華大學頡偉課題組【4,5,6】、同濟大學高紹榮課題組【7】、哈佛大學張毅課題組【8】以及UCSD任兵課題組【9】等都作出了重要的貢獻。

小鼠早期胚胎髮育過程中染色質以及轉錄因子的變化過程示意圖。引自：Burton, A., & Torres-Padilla, M. E. (2014). Chromatin dynamics in the regulation of cell fate allocation during early embryogenesis.Nature Reviews Molecular Cell Biology, 15(11), 723-735.

在真核生物中，線性DNA通過多層級地摺疊以特定的三維結構存在於細胞核中。染色質的三維結構對於基因表達調控、DNA複製和重組等過程都具有至關重要的作用。例如基因組上的增強子（enhancer）可以通過形成染色質環結構與線性距離可能很遠的啟動子（promoter）相互作用以促進基因表達。近些年來，藉助Hi-C（whole genome chromosome conformation capture）等染色質三維結構研究技術，科研人員獲得了不同物種多種類型細胞的全基因組染色體三維結構信息【10】。

在研究過程中，人們發現了拓撲結構域（TADs, topologically associated domain）作為染色體三維結構的基本單位普遍存在於多個物種，而且這種結構在不同細胞類型甚至不同物種中非常保守。此外，在細胞分化過程中TADs也是相對穩定存在的，只是TADs之間相互作用的頻率可能有所變化【11,12】。值得一提的是，來自UCSD的任兵教授在這個領域做出了系列重要貢獻。

此外，以TADs為基本單位的染色質三維構象可被分為兩類大的區室結構（Compartment A/B）。其中Compartment A與染色質開放區域、高基因密度區域以及轉錄活躍區域有很好的相關性。而Compartment B則經常出現在異染色質、基因荒漠（gene desert）和低轉錄區域【10】。

然而，由於細胞數量和實驗手段的限制，染色體三維結構在哺乳動物早期胚胎髮育過程中的動態變化卻鮮為人知。來自清華大學頡偉研究組和中科院劉江研究組通過優化Hi-C技術【10，13】，開發出了一套適用於極少量細胞的Hi-C技術（sisHi-C, small scale in situ Hi-C），並成功將其應用於小鼠早期胚胎髮育過程中染色體三維結構的研究中，揭示了哺乳動物受精前後染色體三維結構的親本特異重編程過程。

在清華大學方面的工作中，研究者發現，精子保留了經典的染色體高級結構包括拓撲結構域（TADs）和區室結構。相反，卵子（MII oocyte）染色體呈現出一種均一性結構，並且缺乏拓撲結構域（TADs）和區室結構（compartment）。令人驚奇的是，在受精後，染色體的三維結構迅速呈現為一種極其鬆散的狀態。

研究人員同時發現，不同於普通細胞，在早期胚胎髮育過程中染色體三維結構的建立非常緩慢。這一過程表現為整個著床前發育過程拓撲結構域（TADs）的逐漸鞏固以及染色體區室（Compartment A/B）的逐漸隔離。此外，研究人員通過分別對來源於父本和母本的兩套基因組進行研究發現，在胚胎髮育早期儘管原核已經融合，兩套親本基因組在空間上仍然是保持部分分離狀態。另外，在受精卵中二者的染色體區室結構（Compartment）顯著不同。這種親本基因組在空間上的分離和染色體區室結構（Compartment）的差異直到8細胞階段仍然存在。最後，研究者發現在抑制合子基因組激活（ZGA，zygotic genome activation）的情況下，染色體三維結構仍然能夠部分建立，這表明這個時期的基因轉錄對建立三維結構並不是絕對必要的。

圖1. 染色體三維結構在小鼠早期胚胎髮育過程中的重編程模型。引自頡偉組Nature論文

而來自中科院方面的工作和清華大學方面的工作具有較高的相似性，並且實驗結論也高度吻合，這樣相互印證的結果更進一步表明了相關的科學性和可重複性。劉江研究組的實驗結果同樣表明了成熟卵子（MII oocyte）缺乏拓撲結構域（TADs），而且二細胞器TADs的形成依賴於DNA的複製，但是這個時期合子基因組的激活是非必需的。此外，研究人員還發現在精子基因組中存在高頻的著超遠距離（>4 Mb）的相互作用。值得注意的是，該項研究更詳細地描述了精子中的三維基因組結構特點以及三維基因組結構對發育基因表達調控的影響，並發現CpG位點DNA甲基化狀態與三維基因組結構建立的相關性。研究表明，相對於B染色體區室結構（Bcompartment）來講，A染色體區室結構（Acompartment）富集有更多未甲基化的CpGs，這也表明了Acompartment具有更加鬆散開放的結構狀態。

早期胚胎髮育過程中TADs建立的動態變化模式圖。引自劉江研究組的Cell論文

綜上所述，上述工作發現染色體的三維結構在受精後首先呈現出一種極其鬆散的狀態，並在隨後的胚胎早期發育過程中逐步地以親本特異的方式建立和成熟。兩篇文章均很好地描述了配子、合子和早期胚胎細胞的三維基因組結構特點，為研究者認識早期胚胎中真實的立體的基因組結構做了良好的鋪墊，也為研究者解釋早期胚胎髮育中精細調控提供了重要的調控模式。

據悉，清華方面，清華大學生命科學學院頡偉研究員為本文通訊作者。清華大學生命學院CLS項目博士生杜振海為本文第一作者，清華大學生命學院CLS項目畢業生鄭輝博士、北京大學前沿交叉學科研究院CLS項目畢業生黃波博士和清華大學交叉信息學院碩士生馬瑞在該工作中做出了重要貢獻。清華大學生命學院PTN項目畢業生吳婧怡博士和清華大學自動化系博士生張祥林也參與了該課題。合作實驗室包括清華大學交叉信息學院曾堅陽組、清華大學自動化系汪小我組、張奇偉（Michael Q. Zhang）組、高軍濤、以及美國索爾克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）Jesse Dixon組。課題得到了清華大學實驗動物中心和生物醫學測試中心基因測序平台的大力協助和支持。該研究獲得了國家重點專項研發計劃、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、國家自然科學基金、中組部青年千人計劃基金、生命科學聯合中心、美國國立衛生研究院、清華大學信息科學與技術國家實驗室學科交叉基金、北京市清華大學結構生物學高精尖創新中心的經費支持。

此外，劉江研究員和上海科技大學黃行許教授為Cell論文的共同通訊作者，清華方面的頡偉研究員和博士生杜振海在該文中亦有署名。

專家點評：

李程（北京大學生命科學學院、清華-北大生命科學聯合中心、統計科學中心高級研究員）

Comments：三維基因組測序技術如Hi-C、ChIA-PET近些年在生物醫學問題中應用越來越廣泛，檢測到癌症、幹細胞、免疫、發育等生物學過程中細胞染色質空間組織結構的變化，以及這些變化和基因組變異、表觀遺傳修飾、基因表達的關聯和相互影響。但是胚胎髮育早期的三維基因組數據和研究還處於空白，主要限制因素是Hi-C等技術需要大量的細胞數目（10^6）。在這兩個最新工作中，頡偉組和劉江組首先開發了基於少量細胞（500）的Hi-C技術，進而應用於檢測小鼠受精卵前後時期的細胞三維基因組，從拓撲結構域（TAD）、A/B間隔、遠端和近端染色質相互作用比例的變化層面，首次證明了染色質三維結構在2細胞時期開始逐漸建立，到ICM時期基本建成和胚胎幹細胞相似的三維結構。有趣的是，作者發現2細胞時期的染色體複製對建立染色質三維結構是必要的，但這個時期的基因轉錄對建立三維結構並不是絕對必要。作者推測在早期胚胎的分裂過程中，每一次從分裂中期高度凝聚的染色體轉換為G1期的染色質結構，都有更強的「驅動力」來形成TAD、A/B等結構。染色質三維結構如何在細胞分裂後維持，目前是一個沒有完全理解的問題，候選模型包括染色質纖維自組織、與轉錄過程關聯、表觀遺傳修飾和染色質結合因子伴隨DNA複製傳遞。這兩篇文章從早期胚胎髮育的角度提出了新思路和證據。關於早期胚胎髮育過程已經積累了表達譜、表觀遺傳、染色質可接近性等多組學數據，劉江組的文章將這些數據和Hi-C數據做了初步關聯。相信作者公布的新數據將為表觀遺傳、生物信息研究領域提供寶貴的資源，以進一步整合挖掘這些數據，幫助理解胚胎髮育和三維基因組的奧秘。

張治華（中科院北京基因組研究所研究員）

Comments：表觀遺傳學信息在早期胚胎髮育中是否被遺傳，以及如果被遺傳的話，其遺傳規律和機製為何，一直都是生物學裡的核心問題。隨著新的高通組學技術發展，近年對這一問題有了較深入的研究。中科院北京基因組所劉江研究員之前深入的研究了斑馬魚和哺乳動物早期胚胎髮育中的DNA甲基化圖譜的代際傳遞規律。清華大學頡偉教授則深入的研究了哺乳動物早期胚胎髮育中染色質開放性，組蛋白修飾（與UCSD的任兵團隊、同濟大學的高邵榮/張勇團隊同時報道）的代際傳遞規律（詳見BioArt此前的報道：清華頡偉組和同濟高紹榮組在《自然》發表「背靠背」論文，揭示早期胚胎髮育的表觀遺傳圖景）。作為領域內的又一個關鍵進展，這次劉江、頡偉同時報道的則是表觀遺傳學中的更高級結構，即基因組三維空間結構的代際傳遞規律。因為幾乎所有核內生命活動都或多或少依賴於其發生的基因組三維結構，所以它的遺傳規律是一個非常基礎性的問題。劉江和頡偉同時報道了一個驚訝結果，即原本存在於精子中的一種精細結構（拓撲結構域）在其形成合子之後幾乎馬上就消失了，而合子要至少經歷了一次到兩次細胞分裂才會自發的重建了這一結構。這一結果如果和前段時間歐美以色列組發表的單細胞測序結果對照會更有意思。除了新的數據和現象之外，個人認為最重要的是，從兩個課題組的結果中，我們可以提出了更多有意思的問題。比如基因組三維結構重建的信息是從哪裡來的？是來自DNA序列本身嗎？還是有未知的所謂書籤因子？亦或是來自胞質？個人最感興趣的是，這些新現象的發現為進一步研究核內基因組的空間摺疊動力學過程，提供了新的線索。

李國亮（華中農業大學生命科學技術學院教授、國家「青年千人」）

Comments：高等生物的DNA複製、基因轉錄都是在細胞核的三維空間中完成，細胞核的三維空間和基因組結構對相關的生物功能影響很大。其中一個重要的生物學問題是配子、合子和早期胚胎髮育過程中，基因組的三維結構是什麼樣的、以及與發育的關係如何。這周清華大學頡偉課題組、北京基因組所劉江課題組和上海科技大學黃行許課題組都以小鼠配子、早期胚胎為實驗對象，分別在Nature和Cell發表了高水平的研究論文，對基因組三維結構進行了深入研究。在早期胚胎髮育過程，細胞數目過少是相關研究的極大挑戰。頡偉課題組致力於早期胚胎髮育相關的表觀遺傳組技術開發和研究。在最新的Nature文章中, 頡偉課題組秉承了減少純化步驟等少量細胞實驗技術的原則，以成熟生殖細胞、胚胎早期發育細胞為實驗材料,通過改良的in situ Hi-C（原位高通量染色質構象捕獲）技術，解析了哺乳動物發育早期基因組三維結構建立的過程和特點，研究發現MII期的卵子的拓撲結構域（TAD）會丟失，而受精卵在分裂和發育過程中，至少到8細胞時期為止，由慢變快地恢復建立基因組三維結構，且父源和母源染色體相對獨立。而北京基因組所劉江課題組和上海科技大學黃行許課題組依託高通量測序的優勢平台，以傳統的in situ Hi-C方法進行了類似的研究，得到了基本相同的結論，但同時還更詳細地描述了精子中的三維基因組結構特點以及三維基因組結構對發育基因表達調控的影響，並發現CpG位點DNA甲基化狀態與三維基因組結構建立的相關性，研究還證明了三維基因組結構的建立與DNA複製相關，但與合子基因組激活並不相關。

兩篇文章均很好地描述了配子、合子和早期胚胎細胞的三維基因組結構特點，為研究者認識早期胚胎中真實的立體的基因組結構做了良好的鋪墊，也為研究者解釋早期胚胎髮育中精細調控提供了重要的調控模式。這兩篇論文提出了三維基因組建立的驅動因素、調控發育的具體功能等重大科學問題，留待研究者繼續研究。

參考文獻：

1、Burton, A., & Torres-Padilla, M. E. (2014). Chromatin dynamics in the regulation of cell fate allocation during early embryogenesis.Nature Reviews Molecular Cell Biology, 15(11), 723-735.

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頡偉研究員簡介

頡偉，2003年在北京大學生命科學學院獲學士學位，2008年在美國加州大學洛杉磯分校獲分子生物學博士學位、統計學碩士雙學位。2009至2013年，在美國加州大學聖地亞哥分校從事博士後研究。2013年，受聘於清華大學生命科學學院，同時入選清華－北大生命科學聯合中心。頡偉研究早期胚胎髮育中染色質的重編程及表觀遺傳信息的傳遞、建立和調控，希望闡明在生命起始時期，精子和卵子是如何通過受精並進一步發育成為全能性胚胎、及在此過程中父母與子代的信息傳遞關係，這是個體發育和細胞分化生物學裡最基本、最有挑戰性的科學問題之一。2016年6月，頡偉實驗室在Nature雜誌以長文形式首次報道了哺乳動物早期胚胎染色質在分子水平的重編程模式。另外，頡偉和醫學院那潔課題組合作，通過開發高靈敏檢測方法在國際上首次報道了組蛋白修飾在哺乳動物早期胚胎髮育中的重編程規律，第一次回答了「組蛋白修飾能否傳遞到下一代」這個長久以來懸而未決的重大科學問題。這一成果2016年9月發表於Nature和Molecular Cell雜誌。2016年12月，頡偉實驗室再次在Molecular Cell期刊發表論文，報道基因印記（一種特殊的親代表觀遺傳記憶）是如何通過一種調節因子的蛋白亞型轉化所調控的。這些研究成果首次在DNA水平揭示了受精後染色質劇烈的重編程過程，開創和建立了研究早期胚胎髮育中染色質調控的一系列重要體系和方法，為更好地研究和理解生命如何起始鋪平了道路。迄今，頡偉已發表高水平論文30篇，包括以第一或通訊作者身份在Nature、Science和Cell等雜誌上發表的多篇論文。因其傑出的學術成就，頡偉入選中組部「青年千人」（2013），獲得國家優秀青年基金（2014），並獲評香港「求是傑出青年學者」（2014）。特別值得一提的是，今年5月，頡偉研究員還入選了HHMI的「國際學者項目」。

劉江研究員簡介

劉江，博士，現任中科院北京基因組研究所研究員，國家「傑青」，中青年科技創新領軍人才。劉江研究員1998年本科畢業於煙台大學，2003年在中科院生物物理研究所獲得博士學位，此後先後在美國密西根大學和耶魯大學做博後，2006年-2009年在芝加哥大學擔任研究助理，2009年7月回國到中科院北京基因組研究所擔任「百人計劃」研究員。近五年來，劉江研究員課題組在早期胚胎髮育過程中DNA甲基化譜式的傳遞方面做出了一些列傑出的工作，特別是2013年在Cell雜誌上以封面論文形式證明了在斑馬魚中除了DNA可以從父母傳遞到子代外，精子的DNA甲基化圖譜也可以被遺傳到子代中，並在胚胎髮育中發揮重要作用；2014年該課題組與黃行許課題組合作繼續在Cell雜誌上揭示了哺乳動物如何繼承親代甲基化圖譜的規律，突破了早期胚胎髮育過程中DNA 甲基化重編程的傳統認識。

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