我国科学家揭示哺乳动物胚胎染色体 3D 结构重编程规律

日前，我国科学家近日在染色体 3D 结构以及在早期胚胎发育过程中染色体结构的重编程变化方面取得重大科学突破，相关成果发表于国际著名期刊Cell。

人类 DNA 如果拉成一条直线，长度大约是 2 米，但一般的细胞核的直径却仅有 5～10 微米左右。因此基因组 DNA 如何合理的折叠存放到细胞核里，是一个非常重要的科学问题。同时，现有研究表明，基因组 DNA 的三维空间折叠对细胞核如何指挥细胞功能的发挥起着非常重要的作用。

对于大多数动物包括我们人类来讲，生命起始于精子和卵子的结合。然而，精子的细胞核、卵子的细胞核结构却和我们身体中其它的体细胞存在非常大的差别。精子细胞核非常小、只有普通细胞核的 1 /10 左右，染色体被精蛋白包装，处于一种高度压缩的状态；而成熟卵子的细胞核却处于分裂中期，染色体也处于一种高度压缩的状态，与多数细胞仍然具有非常大的差别。因此精子和卵子受精后，细胞核中的染色体如何变化，如何变成正常的细胞染色体，是个一直未被了解的科学问题。同时，了解哺乳动物发育过程中染色体高级结构的变化，有利于我们理解人是如何从受精卵发育成个体。

基于这样的研究背景，中国科学院北京基因组研究所刘江研究组和上海科技大学黄行许研究组合作，对上述问题进行研究。由于哺乳动物配子和早期胚胎的数量非常有限，研究团队解决了使用少量细胞建立 3D 染色体结构图谱的难题，从而获得小鼠精子、卵子和早期胚胎的高分辨率染色体高级结构图谱。

刘江介绍，大多数动物的生命起始于精子和卵子的结合，但二者的细胞核结构却和我们身体中其他的体细胞存在巨大差别。卵子受精后，细胞核中的染色体如何变成正常的细胞染色体，是个一直未被解答的科学问题。

研究结果显示，成熟的卵子没有拓扑结构域 (TADs)，而在精子中普遍存在超远程染色体的相互作用。同时研究发现，受精卵和 2 细胞时期胚胎中染色体高级结构几乎不存在，随着发育的进行，染色体高级结构逐渐的建立起来。同时，染色体高级结构的建立不依赖于受精卵基因组转录的激活、而是依赖于基因组的复制。除此之外，本研究首次发现染色体的高级结构与 DNA 甲基化的关联，并且发现早期发育的 DNA 去甲基化也与染色体的高级结构相关。

此次研究成果为深入了解哺乳动物如何从受精卵发育成一个多功能的个体打下了重要的基础，为研究者认识早期胚胎中真实的 3D 基因组结构做了良好的铺垫，哺乳细胞早期胚胎发育高分辨率染色体高级结构图谱数据将为表观遗传、生物信息研究领域提供宝贵的资源，帮助揭示胚胎发育的奥秘。

研究获中科院先导专项、自然科学基金委和科技部国家重点研发项目支持。

参考资料：

3D Chromatin Structures of Mature Gametes and Structural Reprogramming during Mammalian Embryogenesis

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