湯富酬課題組與合作團隊發表人類著床前胚胎髮育的單細胞多組學研究成果

圖片設計源於「八卦」，在此代表人類來自精子的父源基因組與來自卵細胞的母源基因組在受精後的「陰陽融合」。整幅畫面傳遞著人類受精卵在發育過程中，父源基因組（金色蛇）染色質快速打開並且其開放程度迅速超過母源基因組（紅色蛇），並將這一逆轉的開放程度不對稱狀態一直維持到4-細胞胚胎階段這一含義。

2018年6月18日，北京大學北京未來基因診斷高精尖創新中心、北大-清華生命科學聯合中心、生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬課題組攜手北京大學第三醫院喬傑課題組合作在國際知名學術期刊《Nature Cell Biology》在線發表了題為"Single-cell Multi-omics Sequencing of Human Early Embryos"的研究論文。利用湯富酬課題組發展的高精度的單細胞多組學測序技術「single-cell COOL-seq」 (Cell Research, 2017)，首次在單細胞解析度，解析了人類著床前胚胎髮育過程中DNA甲基化組和染色質狀態組的重編程過程，以及染色質狀態與DNA甲基化之間的相互關係等關鍵生物學特徵。

湯富酬教授課題組和喬傑教授課題組長期緊密合作，致力於人類著床前胚胎髮育過程中基因表達的表觀遺傳學調控機理方面的研究。採用湯富酬課題組發展的單細胞RNA-seq轉錄組測序技術，於2013年繪製了完整的人類著床前胚胎的高精度單細胞轉錄組圖譜(Nature Structural & Molecular Biology, 2013)；之後利用湯富酬課題組發展的微量細胞DNA甲基化組高通量測序技術，於2014年在國際上首次實現了對人類早期胚胎髮育過程中DNA甲基化組重編程的系統研究(Nature, 2014)。2018年該團隊利用單細胞DNA甲基化高通量測序技術，首次在單細胞解析度深入解析了人類著床前胚胎髮育的DNA甲基化組圖譜(Nature Genetics, 2018)，揭示了人類著床前胚胎的去甲基化重編程，實際上是高度有序的大規模去甲基化和局部的DNA加甲基化動態平衡的結果，並揭示了父母源基因組差異甲基化等特徵。

為了進一步在極限解析度研究染色質狀態在DNA甲基化重編程過程中的動態重構過程，該研究利用湯富酬課題組發展的國際領先的單細胞多組學測序技術（single-cell COOL-seq），在單細胞、單鹼基解析度系統地描繪了人類著床前胚胎髮育過程中，各個發育階段表觀基因組多個層面的動態變化。對於存在高比例非整倍體的樣品（例如人類著床前胚胎、人類癌症樣品等），利用少量細胞的表觀基因組測序方法，例如ChIP-seq、ATAC-seq、DNase-seq等，得到的結果有可能會被混雜在樣品中的異常的非整體細胞所混淆。因此該研究利用湯富酬課題組發展的scCOOL-seq技術，可以在單細胞水平有效地區分整倍體和非整倍體細胞，在排除非整倍體細胞後、利用整倍體胚胎的單細胞數據，更為精準地反映人類著床前胚胎髮育過程中表觀基因組多層面的動態變化。該研究的主要發現有：

（1）受精後的19個小時以內，高度特化的精子和卵子都經歷了大規模的染色質重構過程，來自精子的父源基因組染色質被迅速打開，而來自卵細胞的母源基因組染色質的開放程度降低（精子的平均染色質開放程度為5%，卵子為42%，受精卵為34%）。隨後父母源基因組染色質的開放程度同時回落，直至合子基因激活的8-細胞胚胎階段之後染色質開放程度再次增加，到桑椹胚階段染色質開放程度達到最高點（2-細胞的平均染色質開放程度為32%, 4-細胞為30%, 8-細胞為27%，桑椹胚時期為40%；圖1a）。利用該研究鑒定出的61,403個近端染色質開放區域進行非監督層次聚類分析發現，和小鼠胚胎相似，在人類早期胚胎髮育過程中，近端染色質開放區域具有強烈的發育階段特異性，更重要的是近端染色質開放區域在合子基因激活時期，即4-細胞到8-細胞時期，發生了最劇烈的染色質重構過程，著床前胚胎聚類分為兩支，一支是4-細胞階段之前的胚胎，另外一支是8-細胞階段之後的胚胎（圖1b）。

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（a）以及近端（基因啟動子區域）染色質開放區域的非監督層次聚類分析（b）

（2）首次發現不同於小鼠受精卵，人類受精卵在發育過程中父源基因組染色質快速打開並且其開放程度迅速超過母源基因組，並將這一逆轉的父母源基因組染色質開放程度不對稱狀態一直維持到4-細胞胚胎階段。該研究首次實現了在人類著床前胚胎的單個細胞內，將父母源基因組信息精確分開並進行DNA甲基化和染色質開放程度的分析（圖2a）。在此基礎上，該研究發現，人類受精卵在受精後19個小時左右，其父源基因組的染色質已經比母源基因組更為開放，並且這一不對稱狀態一直維持到4-細胞胚胎階段才結束（圖2b）。這與小鼠中完全不同，小鼠胚胎在受精後很快每個胚胎細胞中其父源基因組染色質的開放程度變得跟母源基因組的一樣，並且此後一直維持這種父母源基因組染色質開放程度的對稱狀態。人類受精卵中父源基因組更快速打開並且開放程度迅速超過母源基因組，這可能更有利於DNA去甲基化酶在父源基因組上的結合，從而加速父源基因組的去甲基化進程以及其他表觀遺傳學重編程進程。

（3）首次發現不同於小鼠胚胎，人類著床前胚胎具有更為開放、鬆散的染色質結構。該研究首次實現了對人類與小鼠著床前胚胎父母源基因組染色質開放程度的系統定量比較（圖2c）。基於同一技術平台的絕對定量比較，該研究發現與小鼠胚胎相比，在對應的胚胎階段，人類著床前胚胎具有更開放鬆散的染色質結構，而這一鬆散的染色質結構有可能更容易出現基因組不穩定性，進而導致人類著床前胚胎髮育到囊胚階段的比率遠低於小鼠（人類胚胎的囊胚發育率只有40-60%，而小鼠胚胎的囊胚發育率高達95%以上）。小鼠胚胎的父源基因組和母源基因組在受精後被迅速打開，之後染色質開放程度回落，到2-細胞時期達到最低點；與此不同，人類胚胎母源基因組在受精後其染色質開放程度即開始下降，至8-細胞階段降至最低點。而人類胚胎父源基因組在受精後先被迅速打開，之後染色質開放程度逐漸回落，到8-細胞階段降至最低點。人類和小鼠染色質狀態重構模式的差異剛好與這兩個物種合子基因激活時間的差異吻合。

文章來源：生命科學聯合中心

中國生物技術網誠邀生物領域科學家在我們的平台上，發表和介紹國內外原創的科研成果。

本公眾號由中國科學院微生物研究所信息中心承辦

微信公眾號：中國生物技術網

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！