單細胞多組學研究成果重磅發布！喬傑、湯富酬課題組聯合揭秘人類植入前胚胎髮育表觀遺傳特徵

近期，單細胞研究可謂收穫滿滿，不僅單細胞測序技術有了顯著提高，單細胞測序海量數據分析工具BigScale成功問世，備受關注的可視化工具seqFISH也實現升級。提到單細胞研究，就不得不提國內單細胞表觀遺傳研究屆的兩位大牛—北京大學第三醫院喬傑院士和北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬教授，兩位科學家多次攜手合作發表多篇單細胞重磅研究結果。

喬傑院士（左）、湯富酬教授（右）

除了耳熟能詳的多項人類早期胚胎髮育DNA甲基化研究成果，僅2018年上半年，這個黃金組合就利用單細胞測序技術發表了多篇重要研究成果。3月，喬傑課題組聯合湯富酬課題組等團隊在Nature發表文章，繪製了人腦前額葉胚胎髮育過程的單細胞轉錄組圖譜。5月25日，研究團隊首次在單細胞解析度和全轉錄組水平，全面、系統、深入地闡明了食道、胃、小腸和大腸四種器官在人類胚胎髮育過程中的基因表達圖譜及其信號調控機制。6月4日，Cell Research又報道了兩位大牛參與的一項人類胚胎髮育研究成果，成功繪製了人類胚胎中晚期大腦全皮層及腦幹共22個腦區的高精度單細胞轉錄組圖譜。

今天，兩位科學家又公布了一項單細胞表觀遺傳研究的重磅成果！

美國時間2018年6月18日，Nature Cell Biology報道了一項單細胞測序的最新研究成果，喬傑課題組和湯富酬課題組再次合作，利用國際領先的單細胞多組學測序技術scCOOL-seq，繪製了人類植入前胚胎DNA甲基化和染色質可及性的全基因組圖譜，在單細胞、單鹼基解析度水平系統地描繪了人類植入前胚胎髮育過程中，各個發育階段表觀基因組多個層面的動態變化。

已有研究表明，受精後，精子和卵子都將進行DNA甲基化重編程和染色質重塑，從分化的配子轉化為全能細胞。但在人類早期胚胎髮育中，代表重要表觀遺傳信息的DNA甲基化、染色質狀態等基本不為人所知，而想要詳細了解這些變化需要先進的基因測序技術作支撐。

常用的少量細胞表觀基因組測序方法有ChIP-seq、ATAC-seq、DNase-seq等，但對於存在高比例非整倍體的樣品，如人類植入前胚胎、癌症等樣品，以上測序技術的檢測結果可能會被樣品中的異常非整體細胞干擾。因此該研究中，喬傑課題組和湯富酬課題組選擇使用scCOOL-seq技術進行了人類植入前胚胎髮育過程染色質狀態、DNA甲基化、CNV等表觀遺傳研究。

scCOOL-seq原理

湯富酬課題組於2017年6月成功研發單細胞多組學測序技術scCOOL-seq，該技術可同時進行染色質狀態、DNA甲基化、基因組拷貝數變異以及染色體倍性的全基因組測序。該技術可在單細胞解析度上系統解析小鼠著床前胚胎髮育過程中表觀基因組重編程的關鍵特徵，染色質狀態與DNA甲基化之間的互動關係。

各階段scCOOL-seq方法分析的精子、卵子和hESC數量

下面，來看看兩位大牛在人類植入前胚胎髮育表觀遺傳研究中，又有哪些新發現吧！

1

受精卵染色質開放程度

與精子相比，雖然卵細胞的核小體缺失區域（NDRs）較少，但卵細胞的染色質開放程度更高。受精後，精子和卵子都進行了大規模的染色質重構，精子的平均染色質開放程度為5%，卵子為42%，受精卵為34%。隨後，受精卵的染色質開放程度降低，且在八細胞階段達到最低。當合子基因激活後，受精卵染色質開放程度增加，在桑椹期達到高峰。該研究首次發現人類植入前胚胎具有更為開放、鬆散的染色質結構。如圖1。

圖1. 人類著床前胚胎（整倍體胚胎）發育過程中染色質開放程度的動態變化

2

父本、母本基因組染色質開放程度

該研究發現，在人類受精卵中期（受精後19個小時以內），父本基因組的染色質就已經比母本基因組的染色質更開放，這種狀態會一直維持到四細胞期。而小鼠胚胎在受精後，其父本基因組染色質的開放程度很快就與母本基因組一樣，並且此後一直維持這種對稱狀態。該研究首次實現在人類植入前胚胎的單個細胞內，將父本和母本基因分離，並進行了表觀遺傳分析；首次實現了對人類植入前胚胎父本、母本基因組染色質開放程度的系統定量比較。該研究發現小鼠與人類胚胎早期發育存在差異，如染色質可及性的總體差異和染色質開放時間的差異，表明了物種的特異性特徵。如圖2b。

圖2. 人類著床前胚胎髮育過程中父母源基因組DNA甲基化與染色質開放程度的不對稱分布

3

DNA甲基化

根據在捐贈者基因組中發現的SNPs，研究人員追蹤了細胞中每個親本基因組的表觀遺傳重編程。研究發現，雖然父本基因組最初的甲基化程度較高，但在受精後，父本基因會迅速去甲基化，且在兩細胞階段，母本基因組甲基化程度更高。研究還發現，兩細胞階段後，父本X染色體的DNA甲基化水平已經遠低於母本X染色體，並一直維持這一不對稱性。此外，卵細胞的DNA甲基化變異程度最低。受精後，卵細胞DNA甲基化變化主要表現在外顯子、內含子以及重複元件和增強子上，而啟動子、CpG島、近端NDRs和RNA聚合酶II結合位點等位點則表現出低甲基化。如圖2a。

4

基因分組

研究人員發現DNA甲基化高度變異的基因往往與染色質可及性變異高的基因截然不同，根據DNA甲基化與染色質可及性的高度變異情況，可將細胞內的基因分為兩組。可及性高度變異的染色質富含與染色體組織、染色質修飾和細胞周期有關的基因，而DNA甲基化高度變異的基因多參與免疫炎症反應和化學刺激。

5

近端NDRs

研究人員還注意到受精後近端NDRs的數量略有增加，從成熟中期II卵細胞的1.2％上升到合子中期的7.6％，然後在八細胞期升至21％。而廣泛的NDRs具有更高水平的GCH甲基化，且富集RNA II聚合酶。當研究人員在合子中阻斷了RNA聚合酶II介導的轉錄時，他們發現在5155個位於廣泛開放的染色質區域的啟動子中，有1797個（35％）啟動子會關閉，尤其是那些在胚胎髮育中起到關鍵作用的基因，表明轉錄和開放染色質之有一種反饋機制，並且為保持啟動子反饋機制的開放性，許多合子基因要持續轉錄。如圖3。

圖3. 人類植入前胚胎單細胞近端NDR可及性的非監督聚類分析

該研究利用scCOOL-seq技術，在單細胞水平有效區分了整倍體和非整倍體細胞，並利用整倍體胚胎的單細胞數據，精準反映了人類植入前胚胎髮育過程中表觀基因組多層面的動態變化。成功為剖析人類植入前發育過程中複雜而又高度協調的表觀遺傳重編程鋪平了道路，為深入理解表觀遺傳提供了研究基礎，並且明確了利用小鼠作為模式生物研究哺乳動物早期胚胎髮育的優勢和局限性。

北京大學北京未來基因診斷高精尖創新中心博士生李琳、博士生高雲，四川大學研究員郭帆，以及北京大學第三醫院博士生任一昕為該論文的並列第一作者；喬傑院士和湯富酬教授為共同通訊作者。

參考文獻：

1.Single Cell Analysis Elucidates Epigenetic Changes That Occur During Early Human Development

2.Single-cell multi-omics sequencing of mouse early embryos and embryonic stem cells

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