Cell Stem Cell | 高紹榮教授團隊與廣東省第二人民醫(yī)院歐湘紅合作揭示人類早期胚胎發(fā)育過程中時期特異性組蛋白H3K9me3修飾調(diào)控逆轉(zhuǎn)座子沉默的機制
組蛋白H3K9me3修飾，作為異染色質(zhì)的標志之一，對哺乳動物的胚胎發(fā)育和細胞命運決定具有十分重要的作用[1, 2]。H3K9me3的不完全去除是體細胞克隆胚胎發(fā)育阻滯在合子基因組激活（zygotic genome activation, ZGA）時期的關鍵原因[3, 4]，而富集H3K9me3的異染色質(zhì)的過早建立也會嚴重阻礙小鼠著床前胚胎發(fā)育[5]。在人類和小鼠的ZGA階段（人類主要在8細胞期，小鼠主要在2細胞期），大量轉(zhuǎn)座子被活躍轉(zhuǎn)錄，其中就包括長末端重復序列元件（long terminal repeats, LTR）成員MERVL/HERVL等[6]。MERVL/HERVL的時期特異性激活依賴于轉(zhuǎn)錄因子DUX，驅(qū)使胚胎進入全能性的狀態(tài)[7-9]。由于LTR的轉(zhuǎn)座和自我復制能力對哺乳動物基因組的完整性帶來潛在的危害，其表達必須受到嚴格的調(diào)控。高紹榮課題組的前期研究發(fā)現(xiàn)在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中存在由DNA甲基化向組蛋白H3K9me3修飾的轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)對LTR的沉默調(diào)控[10]。此外，也有研究強調(diào)在譜系特異性基因啟動子區(qū)域的H3K9me3修飾對于指導后期細胞命運決定和譜系分化具有重大意義[2, 10]。然而，受到組蛋白修飾檢測技術和人類著床前胚胎材料稀缺的限制，人們對H3K9me3修飾在人早期胚胎發(fā)育過程中的重編程機制及功能并不十分清楚。
2022年6月24日，同濟大學生命科學與技術學院高紹榮/劉曉雨/王晨飛團隊與廣東省第二人民醫(yī)院歐湘紅團隊合作在Cell?Stem Cell雜志上在線發(fā)表題為Stage-specific H3K9me3 occupancy ensures retrotransposon silencing in human preimplantation embryos的研究論文。該研究利用CUT&RUN技術[11]，描繪了人類著床前胚胎發(fā)育過程中組蛋白H3K9me3修飾的動態(tài)變化圖譜，并揭示了時期特異性H3K9me3修飾在逆轉(zhuǎn)座子上的建立及其功能，發(fā)現(xiàn)了可能介導H3K9me3修飾建立的關鍵調(diào)控因子。
圖1?人類著床前胚胎樣品收集示意圖
為了探究H3K9me3修飾在人類著床前胚胎發(fā)育過程中的動態(tài)變化特點，研究人員收集了人MII期卵母細胞、4-細胞、8-細胞和囊胚期的胚胎，并利用CUT&RUN技術對各時期H3K9me3、H3K4me3和H3K27me3修飾水平進行了檢測（圖1）。與預期相符的是，H3K9me3修飾在人早期胚胎中也是高度富集在LTR區(qū)域，并且富集H3K9me3的異染色質(zhì)是逐漸建立起來的（圖2）。此外，與小鼠相比，人早期胚胎中存在著相對保守的由H3K9me3介導的LTR沉默調(diào)控機制。
圖2 H3K9me3修飾在基因組上的分布及其動態(tài)變化
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研究人員發(fā)現(xiàn)，在人的早期胚胎中H3K9me3修飾在LTR區(qū)域上的建立是有時期特異性的，這確保了在不同胚胎階段表達的LTR家族的有序沉默。有趣的是，分析結果顯示，在人8-細胞中臨時建立的H3K9me3修飾在隨后的發(fā)育階段更容易富集H3K4me1和H3K27ac修飾，表明其修飾區(qū)域在后期可能轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪娮樱谀遗咧薪⒌?/span>H3K9me3修飾則更加穩(wěn)定（圖3）。
為了研究時期特異性H3K9me3修飾的建立是如何調(diào)控的，研究人員根據(jù)轉(zhuǎn)錄因子的結合位點以及H3K9me3修飾的分布情況預測了可能參與這一調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子，結果表明，一些經(jīng)典的與H3K9me3修飾相關的調(diào)控因子（包括TRIM28和KRAB-ZNFs）可能參與調(diào)控囊胚特異的H3K9me3標記的LTR，而激活型轉(zhuǎn)錄因子DUX4和其他KRAB-ZNFs則可能參與調(diào)控8-細胞特異的H3K9me3標記的LTR（圖3）。由于無法直接在人類胚胎中進行這些調(diào)控因子的功能驗證，而分析發(fā)現(xiàn)小鼠早期胚胎發(fā)育過程中恰好也存在著與人類高度保守的時期特異性的H3K9me3修飾的調(diào)控，研究人員選擇了這些候選因子（DUX4—8細胞特異性和ZNF808—囊胚特異性）在小鼠中的同源物（Dux和Zfp51）進行分析。借助課題組在之前的工作中構建的Dux基因敲除小鼠模型，研究人員發(fā)現(xiàn)Dux的缺失會同時影響卵裂期特異性（對應于人8-細胞特異性）和囊胚期特異性H3K9me3修飾的建立，并且可能同時存在依賴或不依賴于Zfp的兩種調(diào)控LTR表達的方式；另一方面，在小鼠受精卵中進行siRNA注射從而敲降胚胎中的Zfp51后，研究人員發(fā)現(xiàn)缺乏Zfp51顯著影響了囊胚特異性LTR上H3K9me3的建立，而其他LTR則不受影響。以上結果表明，Dux和Zfp51均可以調(diào)控小鼠早期胚胎LTR區(qū)域時期特異性H3K9me3的建立，并且精準調(diào)控LTR的沉默對正常胚胎發(fā)育具有重要意義。
最后，該研究還揭示了H3K4me3/H3K9me3二價結構域在人類植入前胚胎發(fā)育過程中是逐步建立的，可能與H3K4me3/H3K27me3二價結構域類似，起到調(diào)節(jié)譜系分化的作用。
圖3 人類早期胚胎發(fā)育過程中H3K9me3標記的LTR調(diào)控機制模式圖
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綜上所述，該研究揭示了人類胚胎ZGA和第一次譜系分化過程中的H3K9me3修飾重編程過程，描繪了人類植入前胚胎發(fā)育中異染色質(zhì)重塑的規(guī)律。此外，該研究提出激活型DUX4對建立人ZGA階段的抑制型組蛋白H3K9me3修飾具有重要貢獻，為更好地理解生命之初轉(zhuǎn)錄因子與組蛋白修飾之間復雜的調(diào)控網(wǎng)絡提供了新的見解。?
本文的第一作者包括同濟大學直博生徐睿敏，廣東省第二人民醫(yī)院李森博士，同濟大學吳秋博士、李翀博士和廣東省第二人民醫(yī)院蔣滿喜博士。高紹榮教授，歐湘紅教授，劉曉雨教授與王晨飛教授是本文的共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、廣州生物島實驗室以及上海市科委等項目的支持。
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