Cell:中国学者首次报道人类早期胚胎发育染色质调控的动态图谱——附三组专家点评
2018-03-09 BioArt BioArt
近年来，随着各种基于少量细胞的表观遗传学研究手段的快速发展，关于哺乳动物胚胎发育过程中的表观遗传学动态变化规律才得以慢慢呈现。在这方面，中国的科学家一直处于世界领先地位，特别是以北京大学汤富酬教授、清华大学颉伟教授、中科院北京基因组所刘江研究员以及同济大学高绍荣教授等为代表的研究团队都作出了大量杰出的工作，华人科学家中UCSD的任兵教授与哈佛大学张毅教授也在该领域做出了重要贡献。然而人类早期胚胎发
近年来，随着各种基于少量细胞的表观遗传学研究手段的快速发展，关于哺乳动物胚胎发育过程中的表观遗传学动态变化规律才得以慢慢呈现。在这方面，中国的科学家一直处于世界领先地位，特别是以北京大学汤富酬教授、清华大学颉伟教授、中科院北京基因组所刘江研究员以及同济大学高绍荣教授等为代表的研究团队都作出了大量杰出的工作，华人科学家中UCSD的任兵教授与哈佛大学张毅教授也在该领域做出了重要贡献。然而人类早期胚胎发育的染色质调控的动态图谱到目前为止还是未知的。
3月9日，Cell在线发表了中科院基因组所刘江、山东大学陈子江与广州医科大学三附院刘见桥合作团队完成的题为“Chromatin Accessibility Landscape in Human Early Embryos and Its Association with Evolution”的研究成果，首次报道了人类早期胚胎发育过程中染色质开放性逐步建立的过程，特别指出了人类胚胎合子基因组激活（zygotic genome activation，ZGA）过程中转录因子OCT4是必须的而小鼠中则是非必需。此外，该研究还从发育进化的角度来理解人类早期胚胎发育中基因和转座子的表达调控，具有重要的意义。有鉴于此，BioArt特别邀请到了从事相关研究工作的宾夕法尼亚州立大学岳峰老师与清华大学张奇伟、陈阳合作组的老师以及中科院遗传发育所陆发隆研究员进行专业点评，以飨读者！
对于研究研究哺乳动物早期胚胎染色质动态图谱来说，从技术上角度讲可以使用DNase I超敏感位点测序（DNase I hypersensitive site sequencing， DNase-Seq）（NIH赵可吉实验室2015年发表在Nature）或者利用转座酶研究染色质可接近性的高通量测序技术（Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high-throughput sequencing，ATAC-Seq）（斯坦福William Greenleaf组开发，2013年发表在Nature Methods）。2016年，哈佛大学张毅组与清华大学颉伟组分别用上述两种方法报道了小鼠着床前胚胎染色质动态调控图谱。
在最新的这项研究中，研究人员采用的是DNase-Seq技术（DNaseI超敏感位点是指基因组里对DNase I高敏感的位点，最容易受到外源加入的DNase I的切割，从而说明该区域暴露、具有可接近性和调节基因组的功能）。众所周知，由于人类早期胚胎研究材料的稀缺以及伦理道德的约束，本次研究材料是经过山东大学生殖医学中心伦理委员会批准后获取的，主要研究材料来源于82对夫妇（女性年龄在25-38周岁，卵子正常但是患有输卵管障碍，丈夫精子正常）。
为了研究人类早期胚胎发育中染色质的调控状态，研究人员收集了受精后二细胞、四细胞、八细胞、桑椹胚和囊胚阶段的细胞，通过DNase-Seq技术进行了分析。研究发现全基因组DNase I超敏感位点数量随着胚胎发育逐渐增加，说明染色质的可接近性也在逐渐增加，总的趋势和此前张毅研究组在小鼠中的结果高度相似（下图）。
OCT4是干细胞多能性维持中的重要转录因子，研究人员发现人类胚胎中DHSs位于OCT4基因的基因内区域而非小鼠早期胚胎中OCT4基因的的启动子区域。在关于OCT4对于合子基因组激活（zygotic genome activation，ZGA）的作用研究中发现，OCT4在ZGA中具有重要作用。相比之下，OCT4在小鼠ZGA（2细胞期）期是不富集在DHSs上或者富集很少（人类ZGA期一般认为在8细胞期）。上述结果主要通过敲低OCT4的表达后分析DHSs得出。
在早期胚胎发育过程中，DNA甲基化会经历一个重编程的过程。在这项研究中，研究人员也分析了DHSs与DNA甲基化的相关性，研究结果显示高CpG的启动子区域趋向于在早期发育阶段建立DHSs，而低CpG的启动子区域趋向则相反。在对转座子相关的研究中还发现，随着胚胎的发育DHSs在转座子区域也是逐渐增加的状态。
该研究与以往在小鼠相关研究中的另一个特色是研究了胚胎中染色质动态变化与进化中基因的出现的早晚相关性。研究结果显示，进化中年老的基因更倾向于在胚胎发育早期建立开放染色质状态，而年轻基因则相反。
总的来说，该研究首次同时从发育和进化角度来理解人类早期胚胎发育中染色质的动态图谱过程，具有重要的意义！
专家点评：
岳峰（Director， Bioinformatics Division，Penn State Institute for Personalized Medicine，Assistant Professor of Biochemistry and Molecular Biology，Pennsylvania State University College of Medicine）
Comments：早期胚胎发育过程中合子基因组是如何被激活的一直是遗传学家和发育学家研究的重要方向。目前对脊椎动物的早期胚胎发育过程中的基因表达谱和表观遗传学分析还只是局限在斑马鱼，小鼠等模式生物，在人类早期胚胎发育的染色质调控的动态图谱到目前为止还是未知的。北京基因组所的刘江课题组一直专注在早期胚胎发育过程中的表观遗传学修饰，近年来连续在CELL发表了一系列关于鱼类和哺乳动物的早期胚胎的基因组甲基化修饰是如何继承和逐步建立的优秀工作。在最新一期的CELL上，他和山东大学的陈子江课题组合作，利用DNase-seq技术，首次报道了人类早期胚胎发育过程中染色质开放性是如何逐步建立的. 他们发现在人胚胎合子期基因组激活阶段打开的染色质中，富集了著名的OCT4基因的结合位点。非常有意思的是，他们进一步证实证实OCT4基因是人类胚胎合子期基因组激活必须的，但是在小鼠胚胎发育中则不必须。 另外一个重要的发现是进化中年轻的基因更倾向在胚胎发育晚期建立开放染色质并表达，而进化中较早出现的基因则相反。值得注意到是，人类胚胎的合子期基因组激活发生在受精卵卵裂到8细胞期，而小鼠则发生在受精卵卵裂到两细胞期。通过比较小鼠和人类早期胚胎发育过程中染色质开放性建立过程的不同，刘江实验室首次从发育进化的角度来理解人类早期胚胎发育中基因和转座子的表达调控，非常有意义的工作！
Comments：胚胎发育早期是重要生物学模型，虽然小鼠胚胎发育早期的甲基化、组蛋白修饰、染色质构象等都得到了系统的研究，但由于材料的限制，人类胚胎发育早期研究较为缺少。基因组所刘江团队与山东大学生殖医学中心陈子江团队、广州医科大学Liu Jianqiao团队，从82对不孕症夫妇（女性输卵管障碍，精子卵子正常）取材，首次研究了人受精卵发育早期的染色质开放状态与机制，非常可贵。
小鼠的合子表达激活在二细胞时期，而人类的合子表达记激活则主要发生在八细胞时期，本次联合研究团队完成人类从二细胞时期至囊胚期染色质开放区域测定，为人类早期发育与人类、小鼠早期发育异同研究提供了极其重要的组学数据资源，并发现了OCT4结合位点富集于人类胚胎八细胞期的染色质开放区域，而在小鼠中则无此现象，揭示了OCT4在人类与小鼠合子表达激活中具有不同贡献。
通过系统地关联早期胚胎染色质开放区域动态变化与DNA甲基化、转作子和基因年龄，研究阐释了早期胚胎富集于开放区域的转座子可能影响基因组进化，不同进化年龄的基因经过精密调控在合子发育的不同阶段被激活发挥作用。从胚胎发育推演基因进化，不仅对人类生殖发育研究意义重大，也对认识生命起源有着重大启示。
Comments：中国科学院北京基因组研究所刘江、山东大学陈子江和广州医科大学三附院刘见桥课题组合作绘制了人早期胚胎发育过程中的染色质调控动态图谱。因为伦理问题不能也不应该用大量人类胚胎来做实验，基于NIH赵可吉和Harvard张毅实验室对DNase-seq的改进使得可以用少量细胞来进行表观基因组分析（BioArt注：该成果由陆发隆研究员在博后期间主导完成）。该研究用50-100个细胞成功地描绘了人2细胞、4细胞、8细胞、桑椹胚和囊胚这5个时期的早期胚胎调控图谱。结果展示了整体上在哺乳动物里该图谱惊人的相似性——随着发育的进行DHS逐渐建立；并且进化上较老的基因与启动子上CpG含量较高的基因启动子上会更早地建立DHS；而且DHS的建立与DHS位置去甲基化有着直接的相关性。
人和小鼠图谱的区别在于小鼠里DHS在启动子区的比例在早期要高于人的，这个比例与合子基因组激活的时期相关，小鼠ZGA主要在2细胞期而人的ZGA主要在8细胞期。虽然小鼠和人的合子基因组激活时间差别较大，但Oct4在小鼠和人里都是在8细胞期大量激活并发挥功能。在人里Oct4是与ZGA早期激活基因同步激活的，其蛋白随即参与了之后的主要合子基因组激活（Major ZGA）过程。因此可以看出Oct4在人里ZGA早期激活这一表达模式赋予了其调控多能性之外参与主要合子基因组激活的重要新功能。需要注意的是人里Oct4与小鼠里Nfya对DHS的建立都只能解释小部分ZGA基因的激活，更多ZGA激活的机理有待于进一步的探索。
另一个很大的区别在于小鼠和人中激活的转座子类型不一样。例如在人里HERVK、HERV和SVA染色质在早期发育过程中开放并被激活。小鼠中也有大量的转座子开放与激活，但是其中转座子的种类与人不太一样，比如小鼠ZGA时期大量开放与激活MERVL。这些转座子的激活可能对ZGA以及其他胚胎发育过程中的事件有着重大的作用，但是我们目前对其功能知道得还很少。本研究里其各个时期的动态调控图谱将为这些转座子功能的研究提供坚实的基础。
最后，小鼠和人在早期胚胎发育过程中的DHS总体建立模式非常相似，但是与小鼠中通过ATAC-seq鉴定的染色质开放图谱有着非常大的区别。这暗示早期胚胎的染色质可能存在非常独特的结构，并且这结构可以被DNase-seq和ATAC-seq这两种方法区分开，虽然这两种方法在胚胎干细胞与体细胞中可以得到非常一致的结果。
本研究获得的人早期胚胎发育染色质调控动态图谱在相关研究中有里程碑的意义，为今后对早期胚胎发育研究提供了海量的调控动态信息。与其他物种相关研究一起将有力的推动我们对个体生命起始以及生命程序展开的认识。
原始出处：
Lei Gao, Keliang Wu, Zhenbo Liu,et al. Chromatin Accessibility Landscape in Human Early Embryos and Its Association with Evolution.cell.2018.DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.02.028
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