哺乳动物着床前胚胎发育是生命起始的关键阶段。在此过程中，具有全能性的受精卵会经历全基因组范围的表观遗传重编程，逐步发育成完整胚胎及胚外组织。这一过程依赖于数十万个复杂的顺式调控元件和数百个转录因子构成的协同调控网络。然而，由于技术限制，以单细胞分辨率对哺乳动物着床前胚胎染色质状态进行深入研究是一个亟待解决的问题。
2025年3月28日，
北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）
汤富酬
课题组与清华大学基础医学院
纪家葵
课题组合作
，在
science
杂志发表题为“
Chromatin accessibility landscape of mouse early em-bryos revealed by single-cell NanoATAC-seq2”
研究，
研究首次报道了适用于单细胞样本起始的ATAC-seq技术——scNanoATAC-seq2
。
北京大学
生物医学前沿创新中心
汤富酬研究员、文路副研究员
与
清华大
学基础医学
院纪家葵研究员
为该论文的
共同通讯作者
。
清华大学李孟瑶博士与北京大学博士生蒋振寰
为该论文的
并列第一作者
。
该技术开发了创新的单管反应体系，将多个实验步骤集成在单个反应管中完成，大幅度减少样品损失，实现了从一个细胞起始获取高质量的染色质可及性信息。研究人员采用scNanoATAC-seq2技术对小鼠着床前胚胎各发育阶段进行了系统、深入的单细胞分辨率染色质可及性分析（图1）。
图1. scNanoATAC-seq2对小鼠着床前胚胎发育十个关键阶段进行单细胞染色质可及性分析
该研究的主要发现如下：
1.
确立了
X
染色体印记失活和重新激活的表观调控基础
X染色体上调控X染色体失活现象的有两个相邻的主要拓扑相关结构域：促进X染色体失活的Xist结构域和抑制X染色体失活的Tsix结构域。该研究发现，在4细胞阶段，父本Xist特异性开放，促进整条父本X染色体的印记失活，而Tsix保持对称性开放性。发育到早期桑椹胚阶段，这一状态发生逆转，Xist逐渐转变为对称性开放，而Tsix逐渐增强母本特异开放性，从而保持母本X染色体活跃、父本X染色体失活状态（图2）。
图2. Xist与Tsix结构域调控父本X染色体印记失活和重新激活
2.
鉴定了调控合子基因组激活和早期胚胎两次谱系命运决定的关键转录因子
通过分析转录因子结合位点的染色质状态，ATAC-seq可以准确鉴定其调控活性，准确判断对应关键生物学事件的主导转录因子。该研究准确鉴定了着床前每个发育阶段和每个分化谱系的关键转录因子，为进一步基因功能与调控网络研究提供了表观组学依据（图3）。
图3. 调控小鼠着床前胚胎各阶段发育的主导转录因子
3.
揭示了主要重复元件类别在早期胚胎发育过程中的表观调控特点
转座子重复元件在哺乳动物合子基因组激活过程中发挥重要作用。基于单分子长读长测序的scNanoATAC-seq2对于区分序列几乎完全一样的重复元件不同拷贝具有独特优势（图4）。该研究发现，大部分全长LINE1转座子在卵裂期染色质开放度下降，而后在囊胚期上升。然而，存在157个调控模式相反的全长LINE1拷贝，其染色质开放度在卵裂期上升，而后在囊胚期下降，可能涉及常染色质-异染色质的区室形成。另外，scNanoATAC-seq2精确描绘了单拷贝MERVL转座子的表观激活特征，发现它们之间存在表观激活程度的差异，并与转座子附近靶基因的激活状态密切相关。
图4. scNanoATAC-seq2鉴定序列高度相似的不同拷贝重复元件的染色质状态
4.
鉴定了一批新的小鼠早期胚胎非经典印记基因
scNanoATAC-seq2技术的长读长特征使其能够高效区分父、母本等位基因，从而对基因印记进行全面准确分析。该研究描绘了染色质可及性介导的非经典印记的动态变化，鉴定出325个小鼠非经典印记基因，其中266个基因是相较于前人的研究新鉴定出来的（图5）。
图5. scNanoATAC-seq2鉴定小鼠早期胚胎非经典印记基因
5.
发现
16
细胞胚胎阶段已经出现胚内和胚外谱系分化的染色质可及性特征
该研究解析了染色质状态的胚内异质性，发现小鼠胚胎发育至16细胞阶段时（还未到达囊胚期），就已经出现了表观基因组层面的囊胚期内细胞团和滋养外胚层命运分化特征（图6）。
图6. 小鼠胚胎发育16细胞期出现细胞谱系分化的染色质可及性特征
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研之成理
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