2018年6月18日，北京大學第三醫院喬傑院士研究團隊和北京大學生命科學學院湯富酬教授研究團隊合作，在《自然細胞生物學》(Nature Cell Biology，IF=20.06)雜誌在線發表了人類植入前胚胎多組學研究新進展——“人類早期胚胎的單細胞多組學測序”(Single-cell Multi-omics Sequencing of Human Early Embryos)。該研究利用國際領先的單細胞COOL-seq技術，首次在單細胞水平繪製了人類植入前胚胎發育過程中的全基因組DNA甲基化和染色質狀態圖譜，進一步解析了胚胎發育階段複雜而協調的表觀遺傳重編程過程。
北京大學第三醫院喬傑院士團隊與北京大學湯富酬教授團隊長期密切合作，致力於揭示人類發育過程中基因表達與表觀遺傳學調控機製，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)，對人類早期胚胎及原始生殖細胞發育過程中DNA甲基化組重編程進行了係統研究(Nature，2014;Cell，2015)，為深入理解人類胚胎發育及配子發生過程中的分子機製提供了重要依據。2018年1月，合作團隊對人類植入前胚胎發育過程進行了更加深入的分析，揭示了人類早期胚胎DNA去甲基化和從頭加甲基化的動態變化及父母源基因組差異甲基化等關鍵特征(Nature Genetics , 2018)。
本研究旨在進一步揭示染色質狀態在DNA甲基化重編程過程中的動態重構過程、親本特異的染色質狀態以及多組學之間的關係。通過運用單細胞多組學測序技術(single-cell COOL-seq)，區分出整倍體和非整倍體細胞，利用整倍體胚胎的單細胞數據，係統地描繪了人類植入前胚胎發育過程中多個關鍵階段表觀基因組多個層麵的動態變化，加深了對人類胚胎表觀遺傳重編程過程的理解。
該研究主要發現包括以下幾方麵：
1)在受精後19小時內，來自精子的父源基因組和來自卵母細胞的母源基因組都進行了大規模的染色質重構，父源基因組染色質被迅速打開，而母源基因組染色質的開放程度降低。隨後染色質開放程度同時回落，到8-細胞期胚胎合子基因組激活後再次增加，桑椹胚時期達到最高點(圖1)。與小鼠相似，人類胚胎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。
圖1人類植入前胚胎發育過程中染色質開放程度的動態變化
2)研究發現，與小鼠不同，人類卵母細胞受精後，父源基因組的染色質迅速開放，開放程度迅速超過母源基因組，這種開放程度的不對稱狀態一直持續到4-細胞階段(圖2)。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。而小鼠胚胎在受精後每個胚胎細胞中父源與母源基因組染色質的開放程度相似，並且一直維持這種對稱狀態。
圖2人類植入前胚胎發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)該研究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係統定量比較(圖3)。與小鼠胚胎相比，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發育阻滯比例較高、囊胚率低於小鼠(人類胚胎的囊胚發育率隻有40-60%，而小鼠胚胎的囊胚發育率高達95%以上)。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。
圖3人鼠物種間父母源基因組染色質開放程度的比較
4)每個雌性細胞中有兩條X染色體，其中一條來自精子(父源X染色體)，另外一條來自卵細胞(母源X染色體)。本研究發現在人類女性胚胎中，受精後父源X染色體迅速去甲基化並激活，到2-細胞期遠低於母源X染色體的DNA甲基化水平，之後維持這一不平衡狀態。同時，從受精卵到4-細胞期，父源X染色體的染色質狀態比母源的更開放(圖4)。
圖4 單個女性胚胎細胞中父母源DNA甲基化與染色質開放程度的差異
5)研究首次發現，在人類胚胎植入前發育時期，DNA去甲基化和染色質重構在不同的基因組元件是不同步的。受精後表現出高度DNA甲基化異質性的基因，和表現出高度染色質狀態異質性的基因是不同的兩類。
6)利用轉錄抑製試驗，研究發現持續轉錄作為反饋機製，對於大量基因維持其啟動子區域染色質持續處於開放狀態具有重要作用。與對照組相比，經轉錄抑製的受精卵在8-細胞期有1700多個(35%)基因失去啟動子區的染色質開放狀態。
7)該研究結合染色質開放程度和DNA甲基化信息，進行了人類和小鼠的候選增強子預測，得到人類著床前胚胎的37000多個候選增強子區域。發現對於人類和小鼠著床前胚胎中的染色質處於開放狀態的候選增強子，隻有700多個是在這兩個物種中同時處於染色質開放狀態，說明在著床前胚胎發育過程中處於活躍狀態的增強子具有很強的物種特異性。與此同時，該研究對人類著床前胚胎中鑒定出的接近40萬個染色質開放區域(NDR)進行了轉錄因子結合富集分析，發現相對於滋養外胚層細胞，多能性的內細胞團中的遠端(距離基因轉錄起始位點2kb以外)染色質開放區域更富集轉錄因子ZNF281的結合序列;而相對於內細胞團，滋養外胚層細胞中的遠端染色質開放區域更富集轉錄因子CDX2、TFAP2C(AP2γ)的結合序列，這為今後研究人類著床前胚胎發育過程中轉錄因子調控下遊基因表達提供了基礎。
本研究利用單細胞多組學高通量測序技術，係統分析了整倍體人類植入前胚胎的DNA甲基化重編程及伴隨的染色質狀態重構，加深了對人類胚胎表觀遺傳重編程過程的理解。研究首次揭示了人類早期胚胎發育過程中，父母源基因組的DNA甲基化與染色質狀態的不對稱分布。另外，研究定量比較了人類和小鼠胚胎的染色質狀態，發現物種保守性及特異性的表觀遺傳學特征。這為今後人們繼續研究人鼠兩個物種早期胚胎中表觀遺傳學的異同提供了理論基礎，明確了利用小鼠作為模式生物研究哺乳動物早期發育的優勢和局限性。本研究同時為探究臨床上胚胎發育阻滯、著床失敗、反複流產等問題的發生機製及診治策略提供了新的思路和研究方法。
北京大學第三醫院博士生任一昕以及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為該論文的並列第一作者;北京大學第三醫院喬傑院士和北京大學生命科學學院湯富酬教授為該論文的共同通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金、國家重大科學研究計劃、北京市科學技術委員會、北京未來基因診斷高精尖創新中心、生命科學聯合中心(CLS)等的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41556-018-0123-2
參考文獻：
Yan, L., Yang, M., Guo, H., Yang, L., Wu, J., Li, R., Liu, P., Lian, Y., Zheng, X., Yan, J., et al. (2013). Single-cell RNA-Seq profiling of human preimplantation embryos and embryonic stem cells. Nat Struct Mol Biol 20, 1131-1139.
Guo, H., Zhu, P., Yan, L., Li, R., Hu, B., Lian, Y., Yan, J., Ren, X., Lin, S., Li, J., et al. (2014). The DNA methylation landscape of human early embryos. Nature 511, 606-610.
Zhu, P., Guo, H., Ren, Y., Hou, Y., Dong, J., Li, R., Lian, Y., Fan, X., Hu, B., Gao, Y., et al. (2018). Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos. Nature genetics.
