Plus深读 | Science重磅发现：不止DNA，表观基因组也可跨代遗传！

德国Max Planck免疫生物学研究所的Nicola Iovino课题组在Science上发表了题为“Germ line–inherited H3K27me3 restricts enhancer function during maternal-to-zygotic transition”的文章。该研究论文以果蝇雌雄配子以及受精卵早期胚胎发育过程为研究对象，引入E(z)-KD和温度敏感性的E(z)-TS等果蝇株系，利用ChIP-seq等主要技术，揭示了配子发生、胚胎干细胞早期发育过程中H3K27me3、H3K27ac等多种组蛋白修饰的不同分布，探讨了组蛋白修饰的遗传可能性及其重要生物学作用[3]。

首先，作者发现在果蝇雌、雄配子形成和发育过程中H3K27me3的含量与分布截然不同。在卵母细胞中H3K27me3高度富集（图1A、B），然而精子的成熟需要鱼精蛋白不断地替代组蛋白，造成H3K27me3水平下降直到近乎消失（图S1A）。因此，在精子细胞核进入卵细胞而两个细胞核并未完全融合前，可以看到一种有趣的现象，就是母系细胞核中带有H3K27me3的标记、而一旁的父系细胞核则完全检测不到（图1C、图S1B）。

图1

在卵子发生过程中敲除E(z)，并转入融合了HA标签且由自身启动子启动的E(z)（图1A）。观察发现，在卵母细胞发生以及受精后的胚胎早期发育过程中，这个被转入的E(z)并不会转录和翻译（图S1C、D）。但是卵母细胞中的H3K27me3却成功地从更早的祖细胞中保留下来，呈现出与野生型中非常类似的分布（图1B、S1E）。这些H3K27me3还会随着受精过程进入到合子中，证实胚胎发育早期的H3K27me3并不是从头重建（de novo）的，而是由雌配子传递给合子的（图1C）。

图S1

胚胎早期发育过程中，即从合子（胚胎干细胞）到合子基因组激活（zygotic genome activation，ZGA，出现于第14次分裂）过程中，从母系继承来的E(z)和H3K27me3可以向下传递（图1D、E）。然而检测的其他一些组蛋白修饰，包括H3K27ac、H3K4me1和H3K4me3等，都呈现了在早期发育过程中从头重建的过程（图S2E-G）。在胚胎早期发育过程中，缺失E(z)会导致H3K27me3在2-3次核分裂后就会快速丢失（图1E）。在大约第六次分裂后，E(z)自身启动子才会再次工作，催化后期胚胎发育过程中H3K27me3的建成（图1F、图S2B）。由此可知，母系遗传来的E(z)主要功能是在胚胎早期发育过程中维持稳定的H3K27me3水平。

图S2

为了探索胚胎发育过程中H3K27me3的分布，研究者在胚胎早期发育过程中的几个时间点分别进行了H3K27me3的ChIP实验并进行测序和分析（图2A-C）。从受精到ZGA这一时间内，测序结果显示出32个H3K27me3富集的染色体区段；在ZGA时，又有37个新的富集区段出现（图2B-C）。然而由于E(z)的缺失，尚未建成H3K27me3的E(z)-KD突变体中检测不到任何的富集区段，证明了PRC对染色质形态的控制来源于亲代遗传下来的E(z)，而非是合子形成后再进行转录（图2B）。另外，研究者发现即使此时体节发育远未开始，但控制体节发育的Hox家族基因簇上已经存在H3K27me3的结合与富集（图2B）。

图2

携带有自身启动子启动的E(z)-KD中，E(z)直到ZGA时期才开始转录和表达（图3A）。但在胚胎早期发育过程中母系来源地E(z)的缺失以及造成的H3K27me3缺失会导致接下来胚胎发育过程无法正确进行下去，包括同源异型基因Hox等的表达紊乱，最终导致胚胎异常、无法孵化（图3B、S3A-C）。除了Hox家族基因之外，E(z)和H3K27me3也能够调控一系列其他的体节分化决定基因，包括Gap基因knirps和giant等，但原位杂交等实验显示这些基因在E(z)-KD中并没有明显的表达变化，证明在这一过程中主要起作用的还是E(z)以及H3K27me3对Hox基因簇的表达调节（图S3D-H）。在这一过程中，从合子形成到ZGA时期的E(z)蛋白以及组蛋白的H3K27me3是不可或缺的，即使到ZGA时期后有E(z)形成也不能挽回（图3A-B、S3A-C）。早期胚胎发育过程中组蛋白H3K27的甲基化水平对于Hox基因簇功能调节至关重要，这与之前Esc（哺乳动物EED蛋白同源、PRC2复合体另一组成蛋白）、以及KDM6A（H3K27me3去甲基化酶）的相关研究报道相吻合[2]。

图3

接下来，研究者利用温度敏感型表达的E(z)-TS，即在不适宜温度下E(z)不会表达（图3C-D），而在ZGA时期将其转移到适宜温度再次诱导E(z)表达来分析E(z)的表达对于H3K27me3水平以及其结合区域的影响。通过H3K27me3的ChIP结合区域分析，研究者发现在不适宜温度下H3K27me3以及其结合水平大大降低，而适宜温度下能够正常表达E(z)的胚胎中H3K27me3水平以及其结合得到修复。然而即使如此，早期发育过程中H3K27me3的缺失造成的胚胎发育异常仍旧不能得到修复（图3E，S3I-M）。如果将组蛋白H3第27位的赖氨酸K突变成甲硫氨酸M，造成与PRC2缺失类似的H3K27me3完全消失的突变，也会发现相同的结果（图3F-I）。

图S3

ZGA作为胚胎发育过程中转录事件的起始点，也是许多激活性组蛋白修饰的从头建成点，比如H3K4me3，H3K27ac，H3K36me3和H3K4me1等，同时激活状态的磷酸化RNA聚合酶II也在此时被招募到染色质上开始转录活动（图S4A-B）。研究者分析了在E(z)-KD的组蛋白上缺失的H3K27me3对其他激活性组蛋白修饰功能的影响。通过ChIP测序，证实E(z)-KD中一部分原本应该H3K27me3修饰的区域被异常增多的H3K27ac占据（图4A、S4C）。H3K27ac存在的染色质区域通常会是转录增强子区域，因此由于E(z)和H3K27me3缺失而导致的H3K27ac异常增多，可能会导致转录事件的异常上升（图S4D-G）。研究者通过ZGA前和ZGA时期两个时期的转录组测序分析，发现在ZGA时期E(z)-KD中存在一批基因表达水平上的上升，而这些基因的启动子上几乎都存在H3K27ac的异常结合（图4B-E、S4H-K）。这一现象进一步说明，母系遗传的E(z)以及H3K27me3的缺失，会导致胚胎发育在ZGA时期异常的基因转录起始。

图4

聚类分析证明，这些ZGA时期E(z)-KD中表达上调的基因多在胚胎发育、体节形成、转录调控等方面发挥作用（图S4L）。更有趣的是，这些基因往往在WT中稍晚的时期也会启动，即E(z)的缺失一定程度上将提前了多个转录事件的发生，影响了胚胎发育的正常进程。举例来说，即使利用E(z)-TS在ZGA时期启动了E(z)的表达，Hox基因簇也已经被H3K27ac的结合启动表达，导致功能的紊乱（图S4M-O）。因此研究者认为，母系来源的E(z)和H3K27me3可以在胚胎形成和发育的最早期严格的控制相关基因的转录起始，维持发育时间的时序性。

图S4

参考文献

1. Miska EA, Ferguson-Smith AC: Transgenerational inheritance: Models and mechanisms of non-DNA sequence-based inheritance. Science 2016, 354(6308):59-63.

2. Copur O, Muller J: The histone H3-K27 demethylase Utx regulates HOX gene expression in Drosophila in a temporally restricted manner. Development 2013, 140(16):3478-3485.

3. Fides Zenk, Eva Loeser: Germ line–inherited H3K27me3 restricts enhancer function during maternal-to-zygotic transition. Science 2017, 357: 212-216