Stem Cell Reports：二細胞胚胎樣干細胞中特異性的組蛋白修飾模式

來自同濟大學生命科學與技術學院高紹榮教授領導的團隊在 Stem Cell Reports 雜志上發表了題為 “Unique Patterns of H3K4me3 and H3K27me3 in 2-Cell-like Embryonic Stem Cells” 的研究成果。該研究在小鼠的二細胞胚胎樣干細胞中進行了染色質免疫共沉淀實驗，與轉錄組信息相結合，分析比較了普通胚胎干細胞，二細胞胚胎樣胚胎干細胞和二細胞胚胎的全基因組 H3K4me3 和 H3K27me3 組蛋白修飾圖譜。二細胞胚胎樣干細胞中的大多數基因繼承普通胚胎干細胞的組蛋白修飾模式。在二細胞樣轉換過程中表現為組蛋白甲基化狀態發生轉換的基因中，只有少數可以獲得二細胞胚胎的表觀遺傳學特征。相反，寬廣的 H3K4me3 在二細胞胚胎樣干細胞中呈現廣泛的丟失。大多數差異表達基因在二細胞胚胎樣干細胞中的 H3K4me3 和 H3K27me3 水平降低，而從頭 H3K4me3 沉積與二細胞胚胎特異性基因表達水平密切相關。該研究揭示了二細胞胚胎樣干細胞的獨特表觀遺傳學特征，有利于將來對全能性的進一步探索。受精后的胚胎會發生廣泛的表觀遺傳重編程，這一過程對全能性的恢復起著至關重要的作用（Xu and Xie, 2018）。合子基因組激活（ZGA）與表觀遺傳重編程和全能性的獲得密切相關（Lu and Zhang，2015）。 在小鼠中，ZGA 主要發生在二細胞胚胎階段（Bouniol et al.，1995； Schultz，1993）。破壞 ZGA 基因的嚴格控制會導致胚胎發育異常和疾病的發生（Falco et al.，2007; Gabriels et al.，1999; Geng et al.，2012; Guo et al.，2019）。雖然近階段的研究已經取得了長足的進步，但仍存在大量有待解決的問題，而且早期胚胎的稀缺嚴重阻礙了全能性分子基礎的研究。

最近，有研究報道指出極少部分的胚胎干細胞能夠瞬時進入類似于二細胞胚胎的狀態（Macfarlan et al.，2012； Zalzman et al.，2010）。在這些二細胞胚胎樣干細胞中，二細胞胚胎特異性的基因和重復序列（例如 Dux，Zscan4 基因簇和 MERVL）高度上調（Macfarlan et al.，2012）。除此之外，這些細胞還具有類似于二細胞胚胎的染色質結構（Eckersley-Maslin et al.，2016; Ishiuchi et al.，2015）。除了具有獨特的分子特征外，二細胞胚胎樣干細胞還顯示出對胚內和胚外譜系都有貢獻的能力（Macfarlan et al.，2012）。二細胞胚胎樣干細胞的鑒定為了解 ZGA 的機理和全能性的分子基礎提供了新的機會。

為了進一步探索全能性的表觀遺傳學特征，高紹榮課題組在二細胞胚胎樣干細胞中繪制了 H3K4me3 和 H3K27me3 的全基因組圖譜，并在二細胞胚胎，二細胞胚胎樣干細胞和胚胎干細胞之間進行了詳細的比較。首先，研究人員發現二細胞胚胎樣干細胞與普通胚胎干細胞的基因啟動子處具有相似的組蛋白甲基化狀態，這與二細胞胚胎中的情況不同。其中只有一小部分基因獲得了類似于二細胞胚胎的組蛋白甲基化標記。與組蛋白甲基化位點的保留相反，在二細胞胚胎樣干細胞中觀察到廣泛的 H3K4me3 結構域大量丟失。

另外，在二細胞胚胎樣干細胞中，上調基因之間的 H3K27me3 和 H3K4me3 水平改變的模式是多樣的。同時，還發現在高度上調的二細胞胚胎基因（包括 Zscan4 和 Dux）的啟動子區域中觀察到從頭 H3K4me3 沉積。

綜上所述，這項研究提供了二細胞胚胎，二細胞胚胎樣干細胞和胚胎干細胞之間表觀遺傳特性的詳細比較，表明在啟動子區域，二細胞胚胎樣干細胞的 H3K4me3 和 H3K27me3 修飾模式與二細胞胚胎的不同，更近似于胚胎干細胞。未來，進一步探索重編程二細胞胚胎樣干細胞表觀基因組有關的表觀遺傳因素，可能有助于我們了解 ZGA 和全能性的分子機制。

同濟大學高紹榮課題組助理研究員張艷平、直博生黃憶鑫為該論文的共同第一作者，高紹榮教授、樂融融助理教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、上海市科委等項目的支持。

原文鏈接：

https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(21)00050-3

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文獻引用

Bouniol, C., Nguyen, E., and Debey, P. (1995). Endogenous transcription occurs at the 1-cell stage in the mouse embryo. Exp. Cell Res. 218, 57–62.

Eckersley-Maslin, M.A., Svensson, V., Krueger, C., Stubbs, T.M., Giehr, P., Krueger, F., Miragaia, R.J., Kyriakopoulos, C., Berrens, R.V., Milagre, I., et al. (2016). MERVL/Zscan4 network activation results in transient genome-wide DNA demethylation of mESCs. Cell Rep. 17, 179–192.

Falco, G., Lee, S.L., Stanghellini, I., Bassey, U.C., Hamatani, T., and Ko, M.S. (2007). Zscan4: a novel gene expressed exclusively in late 2-cell embryos and embryonic stem cells. Dev. Biol. 307, 539–550.

Gabriels, J., Beckers, M.C., Ding, H., De Vriese, A., Plaisance, S., van der Maarel, S.M., Padberg, G.W., Frants, R.R., Hewitt, J.E., Collen, D., et al. (1999). Nucleotide sequence of the partially deleted D4Z4 locus in a patient with FSHD identi?es a putative gene within each 3.3 kb element. Gene 236, 25–32.

Geng, L.N., Yao, Z., Snider, L., Fong, A.P., Cech, J.N., Young, J.M., van der Maarel, S.M., Ruzzo, W.L., Gentleman, R.C., Tawil, R., et al. (2012). DUX4 activates germline genes, retroelements, and immune mediators: implications for facioscapulohumeral dystrophy. Dev. Cell 22, 38–51.

Guo, M., Zhang, Y., Zhou, J., Bi, Y., Xu, J., Xu, C., Kou, X., Zhao, Y., Li, Y., Tu, Z., et al. (2019). Precise temporal regulation of Dux is important for embryo development. Cell Res. 29, 956–959.

Ishiuchi, T., Enriquez-Gasca, R., Mizutani, E., Boskovic, A., ZieglerBirling, C., Rodriguez-Terrones, D., Wakayama, T., Vaquerizas, J.M., and Torres-Padilla, M.E. (2015). Early embryonic-like cells are induced by downregulating replication-dependent chromatin assembly. Nat. Struct. Mol. Biol. 22, 662–671.

Lu, F., and Zhang, Y. (2015). Cell totipotency: molecular features, induction, and maintenance. Natl. Sci. Rev. 2, 217–225.

Macfarlan, T.S., Gifford, W.D., Driscoll, S., Lettieri, K., Rowe, H.M., Bonanomi, D., Firth, A., Singer, O., Trono, D., and Pfaff, S.L. (2012). Embryonic stem cell potency ?uctuates with endogenous retrovirus activity. Nature 487, 57–63.

Schultz, R.M. (1993). Regulation of zygotic gene activation in the mouse. Bioessays 15, 531–538.

Xu, Q., and Xie, W. (2018). Epigenome in early mammalian development: inheritance, reprogramming and establishment. Trends Cell Biol. 28, 237–253.

Zalzman, M., Falco, G., Sharova, L.V., Nishiyama, A., Thomas, M., Lee, S.L., Stagg, C.A., Hoang, H.G., Yang, H.T., Indig, F.E., et al. (2010). Zscan4 regulates telomere elongation and genomic stability in ES cells. Nature 464, 858–863.