2017 年 6 月 16 日，北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬课题组在《Cell Research》杂志在线发表了题为“Single-cell multi-omics sequencing of mouse early embryos and embryonic stem cells”的研究论文。在国际上率先发展了对一个单细胞同时进行染色质状态、DNA 甲基化、基因组拷贝数变异、以及染色体倍性的全基因组测序技术（single-cell COOL-seq），并采用这一技术在单细胞分辨率上系统、深入地解析了小鼠着床前胚胎发育过程中表观基因组重编程的关键特征，以及染色质状态与 DNA 甲基化之间的互动关系。
现有的基于高通量测序来分析全基因组染色质状态的研究方法通常需要大量细胞（例如 ATAC-seq、DNase-seq、FAIRE-seq、MNase-seq 等）。即使这些方法可以做到单细胞分辨率，也无法在单细胞分辨率上对多种组学之间的互动关系进行研究。而汤富酬课题组将 NOMe-seq（全基因组核小体定位及 DNA 甲基化组测序）技术和 PBAT-seq 技术（全基因组重亚硫酸盐测序）巧妙地结合起来（图 1），并进行了系统的优化和提高，实现了对同一个单细胞进行多达 5 个层面的基因组和表观基因组特征的分析。
图 1: single-cell COOL-seq 原理图
该课题组利用这一新建立的 scCOOL-seq 方法，在单细胞分辨率系统地描绘了小鼠着床前胚胎发育过程中表观基因组多个层面的动态变化。该项研究发现：
（1）受精后 12 小时以内，来自高度特化的卵细胞和精子的雌雄原核就经历了大规模的基因组去甲基化。在此过程中，父母源基因组的染色体状态迅速打开，在受精卵的原核期就已经达到高度开放的状态，随后在受精卵晚期染色质开放程度大幅度回落，并在 2 - 细胞阶段之后开放程度再次逐步增加，到囊胚期时达到最高点（图 2）。
图 2：小鼠着床前胚胎发育过程中基因组内源 DNA 甲基化（A）与染色质状态（B）以及染色质状态异质性（基因启动子区域；Homogeneously open、Divergent、Homogeneously closed 三种异质性状态）（C）（D）的动态变化
（2）首次在单细胞分辨率系统分析了小鼠着床前胚胎发育过程中染色质状态的异质性。该研究发现在受精后 12 个小时以内受精卵中大部分基因的启动子区域就由均匀关闭状态迅速重编程为均匀开放状态，为合子基因在随后的转录做好准备（图 2）。
（3）首次在单细胞分辨率证明持续转录对于维持早期胚胎中大部分基因的启动子处于开放状态是必需的，染色质状态开放和转录活动互相促进，共同维持合子基因的稳定表达（图 3）。
图 3：转录对染色质开放状态的维持以及转录因子对染色质开放区域的调控作用
（4）研究发现多能性核心因子 Oct4 的靶基因结合位点在 4 - 细胞阶段就处于开放状态，远早于真正建立多能性的囊胚期，暗示这些位点作为潜在的顺式调控元件可能参与了早期胚胎细胞的命运决定过程。
（5）首次在单个细胞内对父母源基因组的染色质状态以及 DNA 甲基化进行了深入分析。研究发现，受精后染色质状态和 DNA 甲基化进行了不同步的重编程过程，父母源基因组的染色质状态快速重编程、在每个单细胞中迅速达到精确平衡并一直维持。而 DNA 甲基化的重编程要慢一些并在父母源基因组之间维持不对称分布（图 4）。
图 4：小鼠着床前胚胎发育过程中父母源基因组 DNA 甲基化的不对称分布
（6）首次在单细胞分辨率解析了雌性胚胎细胞中父母源 X 染色体的 DNA 甲基化和染色质状态重编程过程的异同。研究发现受精后，在雌性胚胎中失活的父源 X 染色体其 DNA 甲基化重编程速度要明显慢于活跃的母源 X 染色体，二者之间 DNA 甲基化的差异一直到囊胚晚期才逐渐消除；而雌性胚胎中父母源 X 染色体同步进行快速的染色质状态重编程，并在整个植入前时期维持这一父母源 X 染色体之间染色质状态的精确平衡（图 5）。
图 5：小鼠着床前雌性胚胎单个细胞中父母源 X 染色体的 DNA 甲基化和染色质状态的动态变化
