CellResearch解析小鼠原腸期胚胎胚層形成的表觀遺傳規律

　　細胞命運決定過程的調控機制是哺乳動物胚胎發育研究領域關注的重點。在哺乳動物胚胎發育過程中，具有全能性的合子會依次經過桑椹胚期、囊胚期、原腸胚期等，最終形成能夠發揮完整生物學功能的個體。其中，外、中、內三個胚層形成的原腸運動時期對后續胚胎發育藍圖的構建起著至關重要的作用。

　　表觀遺傳調控在哺乳早期胚胎發育過程中發揮著非常重要的調控作用。表觀遺傳調控的主要形式包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質可接近性和染色質高級結構等。近年來，伴隨著高通量測序技術的不斷發展，多種適用于少量細胞起始的表觀遺傳學研究手段被開發出來。科學家們利用這些技術對哺乳動物的早期胚胎發育過程中多種表觀遺傳修飾的動態變化及其重要調控作用展開了深入研究【1-3】。

　　近期，景乃禾課題組利用時空轉錄組圖譜技術對小鼠胚胎早期發育過程中的空間轉錄組進行了細致描述（詳見此前BioArt的專題報道：專家點評Nature | 景乃禾/韓敬東/彭廣敦等合作繪制小鼠早期胚胎發育全胚層譜系發生時空轉錄組圖譜）【4】，充分揭示了早期胚胎發育過程中各胚層譜系的發育路徑。然而對于胚胎發育過程中譜系形成的表觀遺傳調控規律的認識還不深入 。

　　在課題組前期研究中，研究人員利用少量細胞起始的DNA甲基化測序技術和少量細胞染色質免疫沉淀技術等，對小鼠胚胎早期發育過程中的DNA甲基化修飾和組蛋白H3K27me3修飾的動態變化規律，及其對胚外和胚內細胞命運特化的調控作用展開了深入研究（詳見此前BioArt的報道：景乃禾、湯富酬合作團隊揭示胚胎胚外發育基因沉默的差別表觀遺傳機制）【5】。然而，對小鼠胚胎原腸運動過程中更多表觀遺傳調控形式、復雜的染色質狀態變化過程及其對胚層譜系分化的調控作用的認識還很欠缺。

　　2019年10月7日，中科院分子細胞科學卓越創新中心/生物化學與細胞生物學研究所景乃禾課題組、北京大學生物醫學前沿創新中心湯富酬課題組、中科院分子細胞科學卓越創新中心/生物化學與細胞生物學研究所李勁松課題組與廣州大學喬云波課題組共同合作在Cell Research 上在線發表了題為Distinct enhancer signatures in the mouse gastrula delineate progressive cell fate continuum during embryo development 的最新研究論文。該工作系統研究了小鼠原腸胚多種表觀遺傳修飾的變化規律，深入探索了各胚層命運決定過程中染色質狀態轉換的特異性規律，揭示了小鼠原腸胚中存在的大量特異性的具有潛在增強子活性的基因組區段（genomic bin），發現了大量器官發生關鍵基因的調控元件在原腸時期即被預標記的規律，同時驗證了外胚層預標記增強子Ect2 在小鼠胚胎干細胞神經分化過程中的重要作用。這項工作為理解哺乳動物胚胎發育過程中細胞譜系的形成，及其發育潛能建立的表觀遺傳調控機制提供了大量翔實的數據，將極大地推動對哺乳動物早期胚胎發育過程規律及機制的認識，并對干細胞再生醫學的發展提供重要理論支撐。

　　在該項工作中，景乃禾研究組及其合作團隊首先結合原腸胚胚層細胞區域化分布特點和前期建立的少量細胞表觀遺傳學研究手段（low-cell number ChIP-seq和reduced representation bisulfite sequencing），對原腸運動過程中（起始階段E6.5天，中間階段E7.0天和結束階段E7.5天）的表觀遺傳修飾（H3K4me1, H3K4me3, H3K9ac, H3K27me3, H3K27ac, DNA methylation）模式進行了系統性研究。通過結合ChromHMM 分析，研究人員構建了小鼠原腸胚中細胞的染色質狀態模型。研究人員繼而對啟動子區域的染色質狀態轉換情況進行了分析，他們發現不同胚層的染色質狀態轉換呈現出不同的規律（圖1）。其中，中內胚層細胞在原腸運動早期（E6.5-E7.0）就呈現出劇烈的染色質狀態變化，而外胚層細胞在原腸運動晚期（E7.0-E7.5）才呈現出明顯的變化。這一規律也表明原腸運動時期三胚層命運決定過程具有不同步性。

圖1

　　研究人員還對原腸胚中具有潛在增強子調控活性的基因組區域進行了深入分析。他們發現這些具有潛在增強子活性的基因組區域的染色質狀態變化同樣體現出了不同步性（圖2）。隨后，研究人員利用已發表的著床前胚胎及器官發生時期胚胎的H3K27ac 修飾數據，構建了小鼠胚胎發育全過程的調控元件活性變化規律（圖3）。研究人員確認了大量原腸胚中特異性存在的增強子。進一步分析發現，器官發生相關的關鍵基因鄰近的增強子在原腸胚中即被預標記，而這些基因多數在器官形成時期才出現高水平的表達。研究人員進一步推測原腸胚中這些預標記的調控元件可能會在胚層譜系命運發育潛能 (developmental competence) 的建立過程中發揮重要作用。研究人員利用轉基因增強子活性報告系統，對這些增強子在小鼠胚胎發育各階段的活性進行了驗證。研究人員還結合小鼠胚胎干細胞定向分化技術及基因編輯技術等，對數據中發現的一個在胚胎外胚層被特異性預標記的新增強子-Ect2的在體活性分布及功能進行了研究。他們發現該增強子在小鼠胚胎外胚層中具有特異性活性，并在小鼠胚胎干細胞神經命運決定過程中發揮著重要的調控作用。

圖2

圖3

　　綜上所述，這項工作為理解哺乳動物胚胎發育過程中細胞譜系的形成，及其發育潛能建立的表觀調控機制提供了大量翔實的數據，將極大地推動對哺乳動物早期胚胎發育過程規律及機制的認識，并對干細胞再生醫學的發展提供重要理論支撐。

　　據悉，該研究由分子細胞科學卓越創新中心景乃禾研究員課題組、北京大學湯富酬教授課題組、分子細胞科學卓越創新中心李勁松研究員課題組和廣州大學喬云波副教授團隊共同合作完成。景乃禾課題組楊賢法博士、湯富酬課題組胡博強博士、李勁松課題組博士研究生廖嬌陽和廣州大學喬云波副教授為本文的共同第一作者，景乃禾研究員、湯富酬教授、李勁松研究員和喬云波副教授為論文共同通訊作者。該項工作還得到了英國皇家科學院院士、澳大利亞悉尼大學Patrick Tam教授、多倫多病孩醫院Chi-chung Hui 教授、中科院生物物理所朱冰研究員、分子細胞科學卓越創新中心李黨生研究員和周斌研究員等的大力幫助。該研究課題數據收集工作得到了生化與細胞所動物實驗技術平臺、分子生物學技術平臺、細胞分析技術平臺的大力支持。

　　原文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41422-019-0234-8

　　參考文獻

　　1. Dahl, J. A. et al. Broad histone H3K4me3 domains in mouse oocytes modulate maternal-to-zygotic transition. Nature 537, 548-552 (2016).

　　2. Liu, X. et al. Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3 chromatin domains in pre-implantation embryos. Nature 537, 558-562 (2016).

　　3. Xia, W. et al. Resetting histone modifications during human parental-to-zygotic transition. Science 365, 353-360 (2019).

　　4. Peng, G. et al. Molecular architecture of lineage allocation and tissue organization in early mouse embryo. Nature 572, 528-532 (2019).

　　5. Yang, X. et al. Silencing of developmental genes by H3K27me3 and DNA methylation reflects the discrepant plasticity of embryonic and extraembryonic lineages. Cell Res 28, 593-596 (2018).