Cell Discovery丨李劲松/李文合作研究建立逐步重建发育相关印迹网络的系统

iNature · 公众号 · · 2025-01-26 10:34

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基因组印记是哺乳动物有性繁殖和胚胎发育所必需的，其中差异甲基化区（DMR）调节印记基因的亲本特异性单等位基因表达。关于印记基因的大量研究强调了它们在发育中的关键作用。然而，什么印记网络对发展至关重要仍不清楚。

2025年1月21日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心李劲松及上海交通大学李文共同通讯在 Cell Discovery 在线发表题为 “ Generation of live mice from haploid ESCs with germline-DMR deletions or switch ” 的研究论文，该研究建立了一个逐步重建发育相关印迹网络的系统，通过在孤雌单倍体（PG）和雄激素单倍体（AG）之间融合不同DMR缺失的单倍体胚胎干细胞（haESCs）（称为Ha-Ha融合系统）获得二倍体胚胎干细胞（ESCs），然后进行四倍体互补产生全haESC胎儿。

携带8个母源性DMR缺失的PG-haESC和具有2个父源性DMR缺失的AG-haESC融合的二倍体ESC可有效产生活仔，其中1只活到断奶。引人注目的是，PG-haESCs与7个母体DMR缺失和AG-haESCs与2个父系DMR缺失和母体Snrpn-DMR缺失融合衍生的二倍体ESC也支持足月胚胎发育。此外，通过将具有低甲基化H19-DMR的AG-haESCs注射到具有H19-DMR缺失的卵母细胞中重建的胚胎发育成维持倒位等位基因表达的活小鼠。总之，研究结果表明，恢复10个印迹区域的单等位基因表达对于全胚胎干细胞幼鼠的足月发育是足够的，而且无论其亲代来源如何，都是有效的。同时，Ha-Ha融合系统为破译胚胎发育过程中的印记调控网络提供了有用的工具。

20世纪80年代，通过原核移植构建了双母双父胚胎。 这些胚胎在妊娠中期表现出发育失败，导致发现了基因组印记，因为亲本基因组的DNA上带有不同的“标记”。基因组印记是一个表观遗传过程，它导致基因子集以亲本起源特异性方式单等位体表达。大多数印记基因组织成簇，它们的单等位基因表达受DNA甲基化标记的亲本特异性获得调节，称为差异甲基化区域（DMR）。遗传学研究表明，DMR缺失可以在大多数基因座中在很大程度上模拟其高甲基化状态，从而在胚胎发育过程中产生预期的印记模式。广泛的研究强调了印记基因在胚胎和胎儿发育过程中的关键作用。然而，对发育至关重要的父系和母系印记基因的特定集仍不清楚，这主要是由于缺乏一个有效的系统来遗传操作父系和母系印记基因座的印记控制区域。

最近，哺乳动物单倍体胚胎干细胞（haESC）已成功从仅携带一组母系或父系基因组的囊胚中产生 。值得注意的是，源自精子来源的单倍体囊胚的雄激素haESC（AG-haESC）可以支持足月胚胎发育，将其注入卵母细胞后产生健康的动物，称为半克隆小鼠（SC小鼠）。然而，AG-haESCs逐渐失去了产生SC动物的潜力，因为其培养基中使用的Mek1/2和Gsk3β（2i）的两种抑制剂诱导了DNA甲基化的广泛丢失。

由Ha-Ha融合系统和SC系统重建胚胎示意图 （摘自 Cell Discovery ）

携带H19-DMR和IG-DMR缺失的AG-haESC可以有效地支持SC胚胎的发育，证明DMR缺失可以模拟父系印记状态。同样，源自携带卵母细胞基因组并在2i培养基中培养的单倍体胚胎的孤雌生殖haESC（PG-haESC）也随着时间的推移失去了DMR甲基化，这种损失使这些细胞在去除H19-DMR和IG-DMR后能够产生SC小鼠。总之，具有父系DMR缺失的无印记haESC可用作精子替代品以支持胚胎发育，这意味着这些具有特定母体DMR缺失的细胞也可以用作卵母细胞基因组替代品以支持胚胎发育。因此，研究推断，用haESC衍生的DNA替换精子和卵母细胞基因组可以提供一种新的策略来同时操纵父系和母系印记，从而有助于识别胚胎发育的基本印记组合。

在这项研究中，通过建立带有亲本特异性DMR编辑的AG-haESC和PG-haESC之间的融合系统（Ha-Ha融合系统）来验证这一概念，以产生携带DMR缺失组合的二倍体ESC。然后对这些细胞进行四倍体（4N）胚胎互补以评估其发育潜能。4N胚胎互补法被广泛用于挽救可能导致胎儿死亡的胎盘功能障碍，该方法允许4N细胞贡献胚胎外组织，但很少贡献胚胎本身。这一策略已被用于评估ESC和iPSC的多能性，从而产生了全ESC或全iPSC小鼠。在本研究中发现父源性的H19-DMR和IG-DMR，母源性的Xist-DMR、Igf2r-DMR、Kcnq1-DMR、Gnas-DMR、Peg3-DMR、Nespas-DMR、Snrpn-DMR和Grb10-DMR这10个区域的缺失组合可以支持重构胚胎高效地完成足月胚胎发育。 此外，研究发现DMR缺失的非亲本来源特异性遗传模式也支持胚胎发育，这表明它们的主要功能作用在于调节印记基因的剂量而不是它们的亲本来源。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41421-024-00757-x

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