中国声音 | 曹云霞/梁丹团队联合郭帆团队研究成果发表：解析人植入前胚胎中DNA羟甲基化的起源与命运及功能

HRU视界 · 公众号 · · 2024-08-13 20:00

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2024年7月30日，安徽医科大学第一附属医院/国家卫健委配子与生殖道发育异常研究重点实验室曹云霞/梁丹团队联合中国科学院动物所郭帆团队与上海交通大学医学院附属第一人民医院贺小进在Nature 权威子刊 Nature Cell Biology （IF=17.3）发表了题为 Distinct dynamics of parental 5-hydroxymethylcytosine during human preimplantation development regulate early lineage gene expression 的研究论文。该研究揭示了 DNA羟甲基化 （5-羟甲基胞嘧啶, 5hmC） 在人类早期胚胎发育中的独特动态, 系统地解析人植入前胚胎发育过程中DNA羟甲基化的起源、命运及生物学功能。

立足前沿独辟蹊径

DNA甲基化（5-甲基胞嘧啶，5mC）是哺乳动物中一种重要的表观遗传修饰，对人类早期胚胎发育至关重要。 在哺乳动物的个体发育过程中，会经历两次全基因组范围的DNA甲基化重编程，分别发生在从受精到着床的早期胚胎发育阶段，以及配子发生过程中。 这些重编程过程均涉及到基因组范围内的主动去甲基化反应。其中，TET双加氧酶家族蛋白能够连续氧化5mC，从而介导DNA的主动去甲基化过程。作为这一去甲基化过程中重要的中间产物， 5hmC被认为是调控DNA甲基化状态的关键分子。 尽管5hmC在所有5mC中仅占很小的一部分 ^1,2 ，但其在体细胞中的含量依然显著高于其他中间产物，这暗示它可能还具有其他未知的生物学功能。已有研究揭示了小鼠早期胚胎发育全过程中的5hmC动态及其分子调控 ³ 。然而， 目前尚未有关于人类早期胚胎中5hmC动态与功能的研究报道， 限制了我们对人类胚胎发育起始阶段表观遗传机制的认识。

聚焦难点方法创新

研究者利用微量细胞5hmC全基因组解析方法结合胚胎成像、染色质免疫沉淀和相关功能实验，对人早期胚胎中5hmC的动态与功能作用进行了系统解析。研究者发现人卵细胞在生长过程中经历了从头DNA羟甲基化从而累积了显著水平的5hmC，这与小鼠卵细胞的DNA羟甲基化谱式显著不同。具体表现为人卵细胞中DNA羟甲基化水平（5.75%）比小鼠卵母细胞中高出了3.6倍；在人卵细胞中存在20,763个高羟甲基化修饰区域，而小鼠卵细胞中仅有511个。这种差异可能归因于人鼠卵细胞中组蛋白修饰的分布模式和动态的物种特异性（图1）。

图1 BLASTO-chip系统的工作原理示意图

此外，人卵母细胞中DNA羟甲基化的从头建立与起始性DNA甲基化紧密关联，可能共享相同的调控机制，这也暗示DNA羟甲基化或许对于人卵细胞的发育和成熟有重要影响；受精后，母本基因组会继承卵细胞中的5hmC，而父本基因组中的5hmC则会部分“参照”母本基因组产生，这些继承自人卵细胞的DNA羟甲基化分子标记参与了早期胚胎中相应基因和重复元件的表达调控，这体现了表观遗传层面人卵细胞的健康对于早期胚胎发育的重要性（图2）。

图2.人类植入前胚胎中追踪来自父本母本基因组的5hmC动态

小鼠受精卵中5hmC偏好性的累积在父本基因组上，母本基因组则在整个植入前胚胎发育过程中始终维持较低水平的5hmC，从而呈现出不对称性分布的特征；而人早期胚胎双亲本基因组中5hmC的水平相当，这说明人/鼠早期胚胎中由TET介导的DNA主动去甲基化的程度以及速率存在差别，这种差别可能与哺乳动物早期胚胎发育过程中物种特异性的事件的产生关联。人早期胚胎中的5hmC除了作为DNA去甲基化的中间体参与DNA甲基化擦除事件外，还在维持性DNA甲基化区域产生，说明这些区域可能需要维持DNA甲基化建立与擦除的动态平衡以快速的响应染色质调控因子或者转录因子等的调控作用；以上结果说明人与小鼠早期胚胎中5hmC的起源与动态并不保守，若想解析5hmC在人早期胚胎中的功能作用，需要利用人早期胚胎进行更深入的研究。

细致分析层层挖掘

深入研究发现人早期胚胎中部分5hmC修饰会维持至八细胞时期，并且富集在OTX2、TFAP2C和KLF4/5等转录因子的结合基序上。以OTX2为例，小鼠中，植入后的上胚层细胞中特异性的表达Otx2，功能是限制上胚层细胞向生殖系细胞的特化，而人源OTX2则是一个母源表达的蛋白，其在植入前胚胎发育中的功能未有报道。

图3.人植入前胚胎中5hmC、组蛋白修饰与基因转录激活之间的联系

研究人员通过5hmC的耗竭（图3）或者异位产生实验以及人早期胚胎中OTX2的敲降实验（图4），找到了999个受OTX2调控的下游基因，包括KRT8、DUSP4、DUSP6以及CXCR4等，这些基因编码的蛋白在滋养外胚层细胞的特化 ⁴ 、原始内胚层细胞的分化 ⁵ 以及中胚层和定型内胚层的迁移 ⁶ 等过程中发挥功能。以上结果证明了5hmC-增强子-OTX2的互作对于人早期胚胎发育的调控作用。

图4. DNA羟甲基化对转录激活及细胞谱系分化的调控作用

得出结论展望未来

本研究的结果揭示了5hmC在人早期胚胎发育中的独特动态以及功能多面性，为理解人早期胚胎发育过程中的多能性建立、细胞谱系分化和转录-表观调控之间的关系奠定重要基础。此外，该工作也突出了DNA羟甲基化模式在物种间的差异，为解析早期胚胎中物种特异性的分子调控机制提供了新的方向， 加深对人类早期胚胎发育表观遗传调控机制的认识以及促进临床上早期胚胎发育异常阻滞的诊治具有重要的意义 。

图5.人早期胚胎发育过程中5hmC的起源、命运与功能

本文图表来源于“Distinct dynamics of parental 5-hydroxymethylcytosine during human preimplantation development regulate early lineage gene expression”一文。

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