2020年10月12日，同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院高紹榮、江賜忠及陳嘉瑜等合作在《Cell Stem Cell》 雜志在線發(fā)表了題為“Dux-Mediated Corrections of Aberrant H3K9ac during 2-Cell Genome Activation Optimize Efficiency of Somatic Cell Nuclear Transfer”的研究成果。該研究基于對正常受精胚胎，體細(xì)胞核移植胚胎，以及組蛋白去乙?；敢种苿?/span>TSA處理后的核移植胚胎的H3K9ac組蛋白修飾的平行分析，發(fā)現(xiàn)H3K9ac修飾異常是核移植胚胎重編程的重要表觀遺傳障礙，鑒定出一系列以H3K9ac標(biāo)記的重編程異常區(qū)域(aberrantly acetylated region, AAR)，并首次揭示了TSA挽救核移植胚胎發(fā)育受限于體細(xì)胞原有表觀遺傳特性。隨后，研究人員通過轉(zhuǎn)錄因子motif分析，利用已建立的H3K9ac圖譜鑒定出潛在的挽救靶點—Dux，并通過人為干預(yù)Dux水平，成功實現(xiàn)核移植胚胎發(fā)育的精確挽救并進(jìn)行了后續(xù)深入的機(jī)制論證。
體細(xì)胞核移植（SCNT）技術(shù)（又稱為克?。┦菍⒎只捏w細(xì)胞核移入去核卵母細(xì)胞內(nèi)，使體細(xì)胞的染色質(zhì)發(fā)生重編程，繼而啟動胚胎發(fā)育到完整個體的技術(shù)。雖然SCNT是目前為止唯一一種可以使體細(xì)胞獲得全能性的方式，但由于重編程中存在多種表觀遺傳障礙，使得體細(xì)胞重編程不完全，造成核移植胚胎發(fā)育潛能極低，這也極大程度地限制了該項技術(shù)的應(yīng)用前景。高紹榮課題組長期聚焦于體細(xì)胞重編程的表觀遺傳重塑機(jī)制研究，近幾年先后發(fā)現(xiàn)組蛋白H3K9me3和H3K4me3修飾異常(Liu et al., 2016a)，遺傳自供核細(xì)胞的DNA再甲基化記憶(Gao et al., 2018)等是體細(xì)胞核移植的表觀遺傳障礙，而打破克隆胚胎中的多種表觀重編程壁壘能顯著提高克隆效率。此外，組蛋白去乙?；敢种苿?span lang="EN-US" style="font-family:times new roman, serif">TSA是一個經(jīng)典的可提升核移植胚胎發(fā)育率的處理方式，克隆胚胎經(jīng)過TSA處理后，其產(chǎn)生克隆動物的效率可從1%提升至6%。
早在2007年，高紹榮課題組發(fā)現(xiàn)SCNT胚胎與受精胚胎相比存在H3K9ac修飾缺陷，而TSA處理可以較好修復(fù)該缺陷(Wang et al., 2007)（第一作者為北京生命科學(xué)研究所王鳳超博士），但是H3K9ac的缺陷及修復(fù)如何影響重新編程的機(jī)制仍然不清楚，這個問題困擾了課題組長達(dá)十年之久。直至高紹榮課題組成功利用微量組學(xué)技術(shù)對小鼠早期胚胎發(fā)育中的組蛋白修飾變化進(jìn)行探究后(Liu et al., 2016b)，課題組終于有機(jī)會和能力對這一問題進(jìn)行深入探究。2017年底開始，團(tuán)隊研究人員開始利用微量組學(xué)技術(shù)對正常胚胎及SCNT胚胎發(fā)育中的組蛋白H3K9ac修飾圖譜進(jìn)行了繪制，發(fā)現(xiàn)了一系列SCNT胚胎中的異常乙酰化區(qū)(AAR)是重編程的表觀遺傳障礙，這些區(qū)域包含許多對胚胎發(fā)育至關(guān)重要的基因，而這些基因在SCNT胚胎中顯著失調(diào)，例如2C基因表達(dá)受到普遍抑制。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然TSA處理可以在很大程度上修復(fù)大多數(shù)AAR并提高SCNT效率，但其作用受到供體細(xì)胞中固有的表觀遺傳環(huán)境的限制（例如，不能修復(fù)H3K9me3標(biāo)記的重編程抑制區(qū)域（RRR）），表明其拯救作用存在選擇性，是不充分的。這也提示，傳統(tǒng)以酶作為靶點進(jìn)行的表觀干預(yù)手段，可能都會存在類似特性（圖1）。
在2018年底，文章共同第一作者楊光通過對比正常胚胎及SCNT胚胎的H3K9ac動態(tài)變化區(qū)域，發(fā)現(xiàn)僅在早期2細(xì)胞（e2C）階段的正常受精胚胎中，存在明顯的Dux motif富集，而Dux在SCNT胚胎中沉默，其基因座區(qū)域富集了抑制性H3K9me3修飾（圖2）。
圖2：利用表觀圖譜篩選潛在轉(zhuǎn)錄因子靶點
2019年開始，研究人員對Dux在SCNT胚胎中的作用進(jìn)行了細(xì)致探究，發(fā)現(xiàn)全長Dux的表達(dá)可挽救AAR中H3K9ac水平，針對性地驅(qū)動2C基因和重復(fù)序列活化，并顯著提高SCNT胚胎體內(nèi)、外的發(fā)育效率。此外，通過構(gòu)建不同C端敲除的缺陷型Dux，研究人員發(fā)現(xiàn)Dux C末端域?qū)τ谛迯?fù)異常的乙?；痛龠M(jìn)重編程至關(guān)重要。最后，研究人員進(jìn)一步梳理了Dux，Kdm4，TSA三種挽救方法的關(guān)聯(lián)性，證明Dux和后兩者挽救的基因表達(dá)具有一定程度的重疊，但相對TSA而言不受限于體細(xì)胞原來的表觀遺傳特性。2020年，研究人員利用實驗室前期建立的Dux-KO母鼠(Guo et al., 2019)的顆粒細(xì)胞為供體，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Dux基因座的敲除極大程度削弱了Kdm4和TSA對SCNT胚胎發(fā)育的促進(jìn)作用。值得注意的是，內(nèi)蒙古大學(xué)李光鵬教授課題組近期的研究，通過篩選也證實激活Dux可以提高核移植胚胎發(fā)育率，并促進(jìn)細(xì)胞誘導(dǎo)重編程的建立(Yang et al., 2020b)。
此外，2020年王建龍課題組與高紹榮課題組合作揭示了Dux-miR-344-Zmym2介導(dǎo)的MERVL激活在全能性樣細(xì)胞產(chǎn)生過程中的作用(Yang et al., 2020a)（圖3）。
圖3：傳統(tǒng)表觀酶挽救方法對Dux基因座激活的依賴性分析
綜上所述，這項研究發(fā)現(xiàn)H3K9ac異常是體細(xì)胞核移植胚胎重編程的重要表觀遺傳障礙，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Dux可精確進(jìn)行表觀遺傳調(diào)控從而提高SCNT胚胎發(fā)育率，該研究為提高哺乳動物克隆效率提供了新方法。
同濟(jì)大學(xué)直博生楊光、張林鳳博士和劉文強(qiáng)研究員為本文的共同第一作者。江賜忠教授、陳嘉瑜副教授及高紹榮教授為本文的共同通訊作者。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項目的支持。
文獻(xiàn)引用：
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Liu, X., Wang, C., Liu, W., Li, J., Li, C., Kou, X., Chen, J., Zhao, Y., Gao, H., Wang, H., et al. (2016b). Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3 chromatin domains in pre-implantation embryos. Nature 537, 558-562.
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