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单细胞多组学研究成果重磅发布!乔杰、汤富酬课题组联合揭秘人类植入前胚胎发育表观遗传特征

近期,单细胞研究可谓收获满满,不仅单细胞测序技术有了显著提高,单细胞测序海量数据分析工具BigScale成功问世,备受关注的可视化工具seqFISH也实现升级。提到单细胞研究,就不得不提国内单细胞表观遗传研究届的两位大牛—北京大学第三医院乔杰院士和北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬教授,两位科学家多次携手合作发表多篇单细胞重磅研究结果。

乔杰院士(左)、汤富酬教授(右)

除了耳熟能详的多项人类早期胚胎发育DNA甲基化研究成果,仅2018年上半年,这个黄金组合就利用单细胞测序技术发表了多篇重要研究成果。3月,乔杰课题组联合汤富酬课题组等团队在Nature发表文章,绘制了人脑前额叶胚胎发育过程的单细胞转录组图谱。5月25日,研究团队首次在单细胞分辨率和全转录组水平,全面、系统、深入地阐明了食道、胃、小肠和大肠四种器官在人类胚胎发育过程中的基因表达图谱及其信号调控机制。6月4日,Cell Research又报道了两位大牛参与的一项人类胚胎发育研究成果,成功绘制了人类胚胎中晚期大脑全皮层及脑干共22个脑区的高精度单细胞转录组图谱。

今天,两位科学家又公布了一项单细胞表观遗传研究的重磅成果!

美国时间2018年6月18日,Nature Cell Biology报道了一项单细胞测序的最新研究成果,乔杰课题组和汤富酬课题组再次合作,利用国际领先的单细胞多组学测序技术scCOOL-seq,绘制了人类植入前胚胎DNA甲基化和染色质可及性的全基因组图谱,在单细胞、单碱基分辨率水平系统地描绘了人类植入前胚胎发育过程中,各个发育阶段表观基因组多个层面的动态变化。

已有研究表明,受精后,精子和卵子都将进行DNA甲基化重编程和染色质重塑,从分化的配子转化为全能细胞。但在人类早期胚胎发育中,代表重要表观遗传信息的DNA甲基化、染色质状态等基本不为人所知,而想要详细了解这些变化需要先进的基因测序技术作支撑。

常用的少量细胞表观基因组测序方法有ChIP-seq、ATAC-seq、DNase-seq等,但对于存在高比例非整倍体的样品,如人类植入前胚胎、癌症等样品,以上测序技术的检测结果可能会被样品中的异常非整体细胞干扰。因此该研究中,乔杰课题组和汤富酬课题组选择使用scCOOL-seq技术进行了人类植入前胚胎发育过程染色质状态、DNA甲基化、CNV等表观遗传研究。

scCOOL-seq原理

汤富酬课题组于2017年6月成功研发单细胞多组学测序技术scCOOL-seq,该技术可同时进行染色质状态、DNA甲基化、基因组拷贝数变异以及染色体倍性的全基因组测序。该技术可在单细胞分辨率上系统解析小鼠着床前胚胎发育过程中表观基因组重编程的关键特征,染色质状态与DNA甲基化之间的互动关系。

各阶段scCOOL-seq方法分析的精子、卵子和hESC数量

下面,来看看两位大牛在人类植入前胚胎发育表观遗传研究中,又有哪些新发现吧!

1、受精卵染色质开放程度

与精子相比,虽然卵细胞的核小体缺失区域(NDRs)较少,但卵细胞的染色质开放程度更高。受精后,精子和卵子都进行了大规模的染色质重构,精子的平均染色质开放程度为5%,卵子为42%,受精卵为34%。随后,受精卵的染色质开放程度降低,且在八细胞阶段达到最低。当合子基因激活后,受精卵染色质开放程度增加,在桑椹期达到高峰。该研究首次发现人类植入前胚胎具有更为开放、松散的染色质结构。如图1。

图1. 人类着床前胚胎(整倍体胚胎)发育过程中染色质开放程度的动态变化

2、父本、母本基因组染色质开放程度

该研究发现,在人类受精卵中期(受精后19个小时以内),父本基因组的染色质就已经比母本基因组的染色质更开放,这种状态会一直维持到四细胞期。而小鼠胚胎在受精后,其父本基因组染色质的开放程度很快就与母本基因组一样,并且此后一直维持这种对称状态。该研究首次实现在人类植入前胚胎的单个细胞内,将父本和母本基因分离,并进行了表观遗传分析;首次实现了对人类植入前胚胎父本、母本基因组染色质开放程度的系统定量比较。该研究发现小鼠与人类胚胎早期发育存在差异,如染色质可及性的总体差异和染色质开放时间的差异,表明了物种的特异性特征。如图2b。

图2. 人类着床前胚胎发育过程中父母源基因组DNA甲基化与染色质开放程度的不对称分布

3、DNA甲基化

根据在捐赠者基因组中发现的SNPs,研究人员追踪了细胞中每个亲本基因组的表观遗传重编程。研究发现,虽然父本基因组最初的甲基化程度较高,但在受精后,父本基因会迅速去甲基化,且在两细胞阶段,母本基因组甲基化程度更高。研究还发现,两细胞阶段后,父本X染色体的DNA甲基化水平已经远低于母本X染色体,并一直维持这一不对称性。此外,卵细胞的DNA甲基化变异程度最低。受精后,卵细胞DNA甲基化变化主要表现在外显子、内含子以及重复元件和增强子上,而启动子、CpG岛、近端NDRs和RNA聚合酶II结合位点等位点则表现出低甲基化。如图2a。

4、基因分组

研究人员发现DNA甲基化高度变异的基因往往与染色质可及性变异高的基因截然不同,根据DNA甲基化与染色质可及性的高度变异情况,可将细胞内的基因分为两组。可及性高度变异的染色质富含与染色体组织、染色质修饰和细胞周期有关的基因,而DNA甲基化高度变异的基因多参与免疫炎症反应和化学刺激。

5、近端NDRs

研究人员还注意到受精后近端NDRs的数量略有增加,从成熟中期II卵细胞的1.2%上升到合子中期的7.6%,然后在八细胞期升至21%。而广泛的NDRs具有更高水平的GCH甲基化,且富集RNA II聚合酶。当研究人员在合子中阻断了RNA聚合酶II介导的转录时,他们发现在5155个位于广泛开放的染色质区域的启动子中,有1797个(35%)启动子会关闭,尤其是那些在胚胎发育中起到关键作用的基因,表明转录和开放染色质之有一种反馈机制,并且为保持启动子反馈机制的开放性,许多合子基因要持续转录。如图3。

图3. 人类植入前胚胎单细胞近端NDR可及性的非监督聚类分析

该研究利用scCOOL-seq技术,在单细胞水平有效区分了整倍体和非整倍体细胞,并利用整倍体胚胎的单细胞数据,精准反映了人类植入前胚胎发育过程中表观基因组多层面的动态变化。成功为剖析人类植入前发育过程中复杂而又高度协调的表观遗传重编程铺平了道路,为深入理解表观遗传提供了研究基础,并且明确了利用小鼠作为模式生物研究哺乳动物早期胚胎发育的优势和局限性。

北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心博士生李琳、博士生高云,四川大学研究员郭帆,以及北京大学第三医院博士生任一昕为该论文的并列第一作者;乔杰院士和汤富酬教授为共同通讯作者。

参考文献:

1.Single Cell Analysis Elucidates Epigenetic Changes That Occur During Early Human Development

2.Single-cell multi-omics sequencing of mouse early embryos and embryonic stem cells

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本文由 测序中国 作者:戴胜 发表,转载请注明来源!

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