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中国科学家《Science》揭示人类早期胚胎组蛋白修饰重编程过程

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图。人类早期发育过程中组蛋白修饰的重编程模式

PI生命中心与郑州大学第一附属医院孙英伟/徐家伟合作,揭示了人类早期发育过程中组蛋白修饰的重编程过程。该研究结果的标题为“在人类父母到合子过渡期间重置组蛋白修饰”,以2019年7月4日在线发表的Science(《科学》)的研究论文的形式。

表观遗传修饰涉及基因表达的调节并影响个体发育。在哺乳动物的早期胚胎发育期间,卵细胞受精以形成多能受精卵,其经历细胞分裂和分化以形成胚泡,其包含多能内细胞团。随着发育的进展,表观遗传修饰经历了戏剧性的重编程。近年来,揭示了DNA甲基化,染色质开放,高染色质结构和组蛋白修饰等表观遗传特征的动态过程和规律性。以组蛋白修饰为例,先前的研究发现,在小鼠卵细胞发育的晚期,组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me3以非规范形式分布,并且可以通过胚胎中的调节后代的基因传递。母系遗传。表达和发展过程。干扰组蛋白修饰的重编程可能导致小鼠发育缺陷。这些研究表明,经典的表观遗传修饰可以在发育早期以非规范形式存在并发挥独特作用,对哺乳动物的发育至关重要。然而,由于人卵细胞和早期胚胎样本的稀缺,组蛋白修饰的重编程遵循类似的早期胚胎发育期间小鼠的重编程规则,以及这些用于人类胚胎发育的重编程的生物学知之甚少。此外,人类早期胚胎发育的研究对辅助生殖等临床应用具有重要的指导意义。

齐威实验室利用并优化了蛋白质和染色质结合位点检测的新技术CUT& RUN,成功检测出少至50个细胞样品中组蛋白修饰的整个基因分布。研究小组进一步与孙英熙/徐家伟研究小组合作,检测人类成熟卵母细胞和早期胚胎中H3K4me3,H3K27me3和H3K27ac的动态变化。该研究的结果表明,在人类胚胎早期发育过程中的组蛋白重编程经历了与小鼠非常不同的动态变化。以前的研究表明,在小鼠中,H3K4me3和H3K27me3都表现出与体细胞不同的非经典分布模式。在人卵细胞中,H3K4me3和H3K27me3均表现出经典的分布模式。受精后,母体H3K27me3被递送至小鼠胚泡,而人类H3K27me3在受精卵基因组激活之前被大规模去除,并在基因组激活后重新建立。在激活受精卵基因组之前,H3K4me3出现在基因的许多启动子区域和开放区域中,伴随着在这些区域中染色质开放的建立。研究小组将此H3K4me3称为预备H3K4me3(引发H3K4me3)状态。在激活受精卵基因组后,这些区域将转变为激活或抑制状态。研究人员提出了“表观基因组重启”模型(图)。这些结果表明,在人类早期发育中的组蛋白重编程是高度物种特异性的。研究小组还研究了人类早期谱系分化的表观遗传调控。通过将染色质图谱与已发表的单细胞转录数据相结合,该团队预测了早期人类谱系的关键调节因子。有趣的是,研究小组发现,在人类早期胚胎中,H3K27me3的内部细胞团(包括外胚层和原始内胚层)的特定基因比滋养外胚层的特定基因更为显着。这表明不同谱系的特定基因在早期发育分化期间用抑制性表观遗传修饰不对称标记。总之,这些结果揭示了组蛋白修饰在人类早期发育中重编程的特异性以及研究人类早期胚胎发育的重要性。同时,这些结果为进一步了解人类早期胚胎的发育和临床指导提供了关键数据和线索。

郑州大学第一附属医院孙英熙,清华大学生命科学学院魏伟,郑州大学第一附属医院徐家伟,都是本文的作者。夏伟(清华大学生命科学学士博士),徐家伟(郑州大学第一附属医院)余光(清华科技大学博士生)和姚桂东(郑州大学第一附属医院) )是本文的共同第一作者。北京大学跨学科研究所博士生徐伟,郑州大学第一附属医院马雪山博士生,博士生张楠也为这一课题做出了重要贡献。合作实验室还包括清华大学纳杰集团。该项目得到了清华大学实验动物中心,生物医学检测中心基因测序平台和计算平台以及河南省孕产妇疾病(生殖医学)临床研究中心的大力支持和支持。该研究获得了科技部重点研究发展计划,国家重点基础研究发展规划(973计划),国家自然科学基金优秀青年基金,国家自然科学基金,中国优秀青年基金,和北京市科学技术委员会生命科学前沿培养项目。为Howard Hughes医学研究所的生命科学联合中心和HHMI国际研究学者提供资金。

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