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单细胞甲基化测序再添牛文!乔杰院士、汤富酬研究员课题组最新NG文章揭示人类植入前胚胎发育过程DNA甲基化的动态变化规律

在生命形成的过程中,精子与卵子结合产生受精卵,受精卵再发育成早期胚胎,进而再分化成不同的组织器官,最终形成了一个完整的生命体。在这一过程当中,一般情况下,基因组DNA序列并没有发生变化,而起到关键调控作用的便是表观修饰信息。其中,DNA甲基化这一表观修饰作用尤为重要,控制着基因表达调控等过程。随着全基因组DNA甲基化测序技术的快速发展,单细胞、单碱基水平的DNA甲基化研究为揭示生命诞生过程提供了重要的科学理论。

早在2014年7月,北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬研究组和北京大学第三医院乔杰院士课题组合作在Nature上发表的一篇文章,利用自主研发的单细胞DNA甲基化组高通量测序方法,在国际上首次实现了对人类早期胚胎发育过程中DNA甲基化组的系统研究,绘制了世界首个人类早期胚胎DNA甲基化全景图谱,揭示了人类早期胚胎DNA去甲基化过程的异质性等特点。此后,于2015年,团队又首次绘制了人类原始生殖细胞的转录组和DNA甲基化组图谱。

图:文章通讯作者,由左至右分别为:汤富酬、乔杰、闫丽盈

美国时间2017年12月18日,这个“黄金组合”在国际知名学术期刊Nature Genetics在线发表题为“Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos”的文章。利用单细胞全基因组DNA甲基化测序技术,该团队对人类植入前胚胎发育的各个阶段进行了单细胞、单碱基分辨率的系统研究,进一步解释了人类植入前胚胎DNA甲基化重编程的动态过程。

首先,该研究对480个细胞进行了单细胞甲基化测序,这些单细胞来自50个人卵母细胞、23个精细胞和62个植入前胚胎。平均每个细胞进行了8.4Gb的测序,覆盖了1080万个CpG位点,最终发现了数以万计的DNA甲基化新位点。

早期人胚胎中的从头甲基化模式

进一步分析发现,在植入前胚胎发育过程中会发生三次去甲基化。第一次发生在受精后10小时至12小时,DNA甲基化水平从精子的82%下降到父本基因组早期雄原核的52.9%,从成熟卵母细胞的54.5%下降到母本基因组早期雌原核的50.7%。第二次去甲基化发生在合子晚期到二细胞期,DNA甲基化进一步下降到40.4%,而在八细胞到桑椹胚阶段的第三次去甲基化中,甲基化水平会再次下降到35.1%。

在去甲基化发生的同时,还发生了两次从头加甲基化事件。其中,第一次是在早期雄原核转变为中原核阶段,另一次则发生在四细胞到八细胞阶段。甲基化区域主要集中在DNA的重复序列区域。表明DNA从头加甲基化对抑制潜在的转座子转录活性和维持基因组稳定具有重要调控功能。研究首次发现,在胚胎植入前发育过程中发生了剧烈的DNA从头甲基化,而此前的研究显示早期胚胎发育只存在大规模的DNA去甲基化。结果表明DNA甲基化重新编程实际上是全基因组范围内大规模去甲基化和局部DNA加甲基化两个动态过程的平衡结果

早期人类胚胎发育中父、母本DNA甲基化动态变化

此外,研究人员发现,母本和父本基因组去甲基化和加甲基化也存在差异,首次发现了人类早期胚胎发育过程中DNA甲基化的不对称分布。尽管精子内的父本基因组甲基化程度较高,但父本基因组的去甲基化速度更快,所以在二细胞期之后,父本基因组的甲基化水平始终低于母本基因组。

研究中还发现,母本基因组甲基化水平虽然较弱,但仍高于胚胎植入后期的父本基因组,表明母体基因组在植入前和发育过程中优先超甲基化。但研究人员指出,这似乎并不影响等位基因的特异性表达。

DNA甲基化是最早发现的基因表观修饰方式之一,在调控基因表达、染色体结构维持、X染色体失活和基因组印记中起着重要的作用,可用于追踪早期胚细胞的遗传谱系。该研究取得的新发现,为阐明甲基化特征在早期胚胎发育过程中对细胞分化和基因组完整性的影响提供了完整的路线图,为破译早期人类胚胎中DNA甲基化重编程的机制提供了重要参考

该工作中,北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心朱平博士(现为中国医学科学院血液病医院血液学研究所副研究员)、郭红山博士、侯宇博士,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;北京大学生命科学学院汤富酬研究员、北京大学第三医院乔杰院士、闫丽盈研究员为该论文的共同通讯作者。

参考文献:

Single-Cell Methylome Sequencing Uncovers Dynamics of DNA Methylation in Human Embryos

Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos.

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本文由 测序中国 作者:陈初夏 发表,转载请注明来源!

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