北大湯富酬、喬傑組發表人類與小鼠胚胎生殖細胞的表觀基因組研究最新結果

以下文章原文來源於北大生科院官網報道，BioArt編輯時增添了前面三張圖片。

2016年11月8日，北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬課題組與北醫三院喬傑課題組合作在《Cell Research》雜誌上在線發表了題為「DNA methylation and chromatin accessibility profiling of mouse andhuman fetal germ cells」的研究論文，首次系統地解析了人類與小鼠胚胎期生殖細胞中染色質開放程度和基因組DNA甲基化的動態變化及其與基因表達的關係。

哺乳動物的生殖細胞是非常重要的一類特殊細胞類型，湯富酬課題組與喬傑課題組緊密合作，通過流式細胞分離技術（FACS）和免疫磁珠細胞分離技術（MACS）結合單細胞轉錄組高通量測序技術以及少量細胞DNA甲基化組高通量測序技術，系統、全面地揭示了人類原始生殖細胞在多個關鍵發育階段的DNA甲基化組重編程過程、及其對基因表達的調控關係，相關研究成果以封面文章的形式發表在2015年《Cell》雜誌上，發現人類原始生殖細胞在受精後10-11周的胚胎中，其甲基化水平達到最低點，下降到6-7%（中位數值），但是其基因表達網路基本維持穩定，由此推測DNA甲基化組重編程過程中DNA甲基化與轉錄調控已經脫扣，而早期生殖細胞中的染色質開放程度對於基因轉錄調控可能起了更為關鍵的作用（Guo et al.Cell, 2015）。

2015年Cell同期發表了三篇相似的研究工作，封面選取中國傳統文化中的一種由龜和蛇組成的靈物「玄武」象徵生殖的圖騰，寓意哺乳動物通過有性生殖（蛇與龜）來維持完整的生命周期（圓環），而中心處的生殖細胞（紅色）則在遺傳信息的世代沿襲中起著非常關鍵的作用

然而標準的在全基因組水平研究細胞染色質狀態的方法需要用到大量細胞，很難在人類胚胎期生殖細胞這種稀少的材料中進行研究。在此項研究中兩個課題組採用優化的NOMe-seq（全基因組核小體定位及DNA甲基化組測序）技術，同時分析了細胞的染色質狀態組和內源DNA甲基化組的動態變化，再結合轉錄組測序，系統、深入地分析了人類早期生殖細胞多個關鍵發育階段的染色質狀態組以及DNA甲基化組的重編程過程，及其對基因表達的調控關係。同時也對相應發育階段的小鼠早期生殖細胞進行了NOMe-seq分析，發現了人類和小鼠早期生殖細胞染色質狀態組、DNA甲基化組與基因表達調控的進化保守性特徵和物種特異性特徵。

圖1 人類和小鼠生殖細胞中關鍵基因的表達、遠端染色質開放區域狀態、以及轉錄因子結合位點的富集模式

通過此項研究，研究人員發現：（1）分別在人類和小鼠早期生殖細胞中鑒定出了116,887和137,557個染色質開放區域（也叫核小體缺失區域，nucleosome-depleted regions (NDRs)），其中84,834個（人類）和109,264個（小鼠）為遠離轉錄起始位點的染色質開放區域。這些大部分是候選增強子元件，為該領域提供了一個豐富、精準的關鍵染色質調控區域的數據集；（2）在人類和小鼠早期生殖細胞中遠離轉錄起始位點的染色質開放區域強烈富集多能性幹細胞以及生殖細胞特異性轉錄因子的結合位點，比如人類的OCT4, NANOG, SOX17，小鼠的Oct4, Nanog, Sox2等轉錄因子的結合位點，說明這些關鍵轉錄因子對於維持生殖細胞特異的基因表達網路起了重要的調控作用。特別是SOX17的調控序列只在人類早期生殖細胞NDR區域特異性富集，而Sox2的調控序列只在小鼠早期生殖細胞NDR區域特異性富集。相應的SOX17特異性地在人類早期生殖細胞中表達，而Sox2特異性地在小鼠早期生殖細胞中表達，反映了早期生殖細胞中SOX家族轉錄因子的表達和靶基因調控的物種特異性特徵；（3）SVA重複序列是人類等靈長類動物基因組高度富集的，而在小鼠基因組中很少。與周圍的微環境體細胞相比，基因組中的SVA重複序列在人類早期生殖細胞中特異性地呈現更加開放的染色質狀態，相應的SVA重複序列的轉錄本也在這些早期生殖細胞中特異性地高表達；（4）之前該課題組的研究報道了在人類著床前胚胎以及著床後的早期生殖細胞基因組DNA去甲基化過程中，年輕的重複序列（比如LINE-1和Alu）傾向於保留更多DNA甲基化修飾來抑制其轉錄活性（Guo et al.Nature, 2014; Guo et al.Cell, 2015），而在此項新研究中不僅驗證了這一現象，而且更進一步發現在人類早期生殖細胞基因組DNA去甲基化過程中，這些年輕的重複序列傾向於維持關閉的染色質狀態，保留更多的剩餘DNA甲基化，以此共同抑制其轉錄和轉座活動，從而維持生殖系細胞基因組的穩定性。

圖2人類和小鼠胚胎期生殖細胞DNA甲基化組和染色質狀態組的重編程過程，以及對應基因的表達變化

北京大學生命科學學院郭紅山博士，博士生胡博強，北醫三院生殖中心閆麗盈博士和雍軍博士為此文章的並列第一作者；北京大學生命科學學院湯富酬研究員，北醫三院喬傑教授為這篇文章的共同通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金、科技部973計劃、北大清華生命科學聯合中心、北京未來基因診斷高精尖創新中心的資助。

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