清华大学颉伟组在《自然 - 遗传》报道哺乳动物早期胚胎多能性谱系独特的染色质状态及其分子机制与功能

来源: 生命科学联合中心 / 作者: 颉伟 / 时间: 2019-12-13
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2019 年 12 月 11 日,清华大学生命学院颉伟研究组在《自然 - 遗传》期刊以长文形式报道了题为《表观遗传组学分析揭示了原肠运动时期始发态多能性的独特染色质状态》(Epigenomic analysis of gastrulation identifies a unique chromatin state for primed pluripotency)的研究论文。该研究通过多种高灵敏染色质表观遗传学分析手段,发现小鼠植入后胚胎中的始发态多能性(primed pluripotency)细胞具有独特的染色质结构,包括发育调控关键基因的启动子区域富集非常强的 H3K4me3/H3K27me3 修饰(super-bivalency)。这一重要发现不仅阐明了细胞命运决定过程中动态的染色质调控机制,还为体外系统更好的模拟植入后胚胎发育以及探索早期发育相关疾病提供了新的研究方向。

在胚胎植入子宫后,伴随着原始态多能性(naïve pluripotency)向始发态多能性的转变,囊胚中的内细胞团(inner cell mass)分化为胚区的上胚层(epiblast)和胚外区的脏内胚层(visceral endoderm)。由上胚层细胞进一步通过原肠运动形成的外胚层(ectoderm)、中胚层(mesoderm)与内胚层(endoderm)则构成了器官发生以及个体形成所需要的细胞基础。然而,由于谱系之间分离比较困难以及细胞数量稀少,人们对此过程中染色质调控机制仍然知之甚少。在该研究中,研究人员首先在小鼠胚胎发育的 6.5 与 7.5 天分离了不同胚层,并利用颉伟课题组前期开发的 STAR ChIP-seq、miniATAC-seq 与 sisHi-C 技术,系统地检测了组蛋白修饰(H3K4me3、H3K27me3、H3K27ac)、染色质开放性以及三维基因组高级结构的状态。研究人员发现,E7.5 天外胚层的增强子在 E6.5 天上胚层中已经提前开放,而中胚层与内胚层中的增强子则是重新建立的,支持外胚层是上胚层细胞分化的默认分化状态的假说。有趣的是,在具有始发态多能性的 E6.5 天上胚层中,研究人员发现 H3K4me3 与 H3K27me3 在一部分发育基因的启动子及附近区域呈现非常强的双价(bivalency)分布模式,研究人员定义这种状态为 super bivalency。Super bivalency 能够持续到外胚层,而在植入前早期胚胎、E5.5 天上胚层、E7.5 天中胚层、内胚层以及小脑、心脏等体细胞中均不能被检测到。此外,通过 sisHi-C 实验,研究人员发现在 E6.5 天上胚层中被 super bivalency 标记的基因在三维空间中具有很强的互相作用。为了研究 super bivalency 是如何建立的,研究人员聚焦于 KMT2B(又名 MLL2、WBP7),一种负责特异性催化双价基因启动子区域 H3K4me3 的甲基转移酶。前期研究表明,该催化酶在受精卵中的缺失会导致小鼠胚胎发育致死,而从 E11.5 天敲除却并不影响胚胎发育。研究人员发现,在受精卵时期敲除 Kmt2b 将会影响 E6.5 上胚层中双价基因启动子区域的 H3K4me3 建立。与此同时,super bivalency 标记的基因的三维空间作用也伴随下降。最后,super bivalency 的缺失极大地影响了与部分发育核心调控基因的激活。综上所述,该研究在小鼠植入后胚胎发育过程中系统地研究了表观遗传组建立的分子机制,发现了始发态多能性中存在 super bivalency 这一独特的染色质状态,并进一步揭示了在细胞命运决定过程中 super bivalency 参与调控核心基因转录激活的重要功能。

颉伟教授为本文的通讯作者,清华大学生命科学联合中心博士研究生向云龙与博士后张宇为本文共同第一作者。合作实验室包括中国科学院动物研究所李磊研究组与美国密歇根大学的 Sundeep Kalantry 研究组。该课题得到了清华大学实验动物中心,生物医学测试中心基因测序平台以及计算平台的大力协助和支持。该研究获得了北京市科学技术委员会生命科学前沿培育项目、国家自然科学基金委、北京市结构生物学高精尖创新中心、国家重点基础研究发展计划(973 计划)、清华北大生命科学联合中心以及美国霍华德休斯医学研究所(HHMI) 国际研究学者的经费支持。

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