人類(lèi)早期胚胎發(fā)育DNA甲基化圖景——表觀(guān)遺傳學(xué)—胚胎發(fā)育系列第1篇

作者：馬可菠蘿
審稿：童蒙
編輯：angelica

DNA甲基化是一種基礎(chǔ)且重要的表觀(guān)修飾躯枢，本文系統(tǒng)的報(bào)道了人類(lèi)早期胚胎發(fā)育的表觀(guān)圖景薇搁，為深入研究人類(lèi)胚胎發(fā)育的表觀(guān)遺傳機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

DNA甲基化是一種重要的表觀(guān)遺傳修飾在基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)蚌成、基因印記的維持、X染色體失活和轉(zhuǎn)座子元件的表達(dá)等一系列生物學(xué)過(guò)程中扮演重要的角色氢惋。

哺乳動(dòng)物中最具有戲劇性的表觀(guān)組變化發(fā)生在原始生殖細(xì)胞和胚胎植入前的發(fā)育過(guò)程羽历。

為了獲取人類(lèi)早期胚胎的DNA甲基化圖譜，作者使用全基因組簡(jiǎn)化甲基化測(cè)序（RRBS）和全基因組甲基化測(cè)序（WGBS）技術(shù)對(duì)人類(lèi)配子和植入前后的 胚胎進(jìn)行了研究港令。

實(shí)驗(yàn)材料

本研究使用的材料如下：

使用的材料為極體（polar body）啥容、成熟卵母細(xì)胞（oocytes）和第一極體、合子（zygotes）顷霹、 2細(xì)胞咪惠、4細(xì)胞、8細(xì)胞淋淀、桑椹胚（morula）遥昧、內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（inner cell mass，ICM）和囊胚階段的滋養(yǎng)層細(xì)胞（trophectoderm cells朵纷，TE）炭臭，此外還有精細(xì)胞。

不同細(xì)胞類(lèi)型的聚類(lèi)圖

不同類(lèi)型細(xì)胞的DNA甲基化水平聚類(lèi)顯示袍辞，不同類(lèi)型細(xì)胞間有各自獨(dú)特的甲基化特征鞋仍。

例如：極體和卵母細(xì)間的甲基化狀態(tài)相似，而與其他類(lèi)型細(xì)胞差別較大革屠；精細(xì)胞甲基化狀態(tài)與其他類(lèi)型細(xì)胞有明顯的區(qū)別凿试；2細(xì)胞-TE發(fā)育過(guò)程中甲基化狀態(tài)變化比較平穩(wěn)排宰。

基因區(qū)域甲基化水平分布

在基因體（gene body）層面和不同發(fā)育階段層面，不同類(lèi)型那婉、發(fā)育時(shí)期細(xì)胞的甲基化轉(zhuǎn)態(tài)變化明顯板甘。

左圖：可見(jiàn)在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）和轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)（TES），這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始和終止的關(guān)鍵位點(diǎn)详炬，其甲基化水平有著非常典型的特性盐类，尤其是TSS附近甲基化水平極低且gene body內(nèi)部比其側(cè)翼區(qū)域的甲基化水平稍高；植入后胚胎呛谜、精細(xì)胞在跳、卵母細(xì)胞、合子作為發(fā)育晚期和獨(dú)立細(xì)胞隐岛，其在基因?qū)用娴募谆脚c2細(xì)胞-ICM發(fā)育階段細(xì)胞的甲基化狀態(tài)存在較大區(qū)別 猫妙；右圖：體現(xiàn)了不同發(fā)育階段的動(dòng)態(tài)甲基化水平變化，原始細(xì)胞存在一定的甲基化水平來(lái)維持功能聚凹，在隨后形成合子和發(fā)育過(guò)程中合子的甲基化水平被擦除割坠，此時(shí)生物學(xué)過(guò)程無(wú)比活躍，直至形成ICM達(dá)到最低妒牙，最后植入胚胎前后才完成重建和穩(wěn)定彼哼。

不同時(shí)期不同區(qū)域的甲基化水平變化情況

小鼠中甲基化擦除主要發(fā)生在合子-2細(xì)胞過(guò)程，而人類(lèi)胚胎發(fā)育中去甲基化和甲基化重建又有什么特點(diǎn)呢湘今？不同的基因組區(qū)域的甲基化水平變化是否同步敢朱？

對(duì)不同CpG含量的啟動(dòng)子（HCP、ICP摩瞎、LCP）拴签、CpG島（CGI）、外顯子（Exon）愉豺、內(nèi)含子（Intron）篓吁、基因（Intragenic）茫因、基因間區(qū)（Intergenic）蚪拦、轉(zhuǎn)座子元件（細(xì)分為SINE、LINE冻押、LTR）和增強(qiáng)子（Enhancer）的甲基化水平進(jìn)行計(jì)算驰贷，繪制動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程甲基化水平的變化。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)洛巢，整體上不同基因組區(qū)域的甲基化動(dòng)態(tài)變化相似括袒，說(shuō)明胚胎發(fā)育過(guò)程中全基因組的甲基化變化趨勢(shì)一致，是一個(gè)統(tǒng)一的過(guò)程稿茉。但也能發(fā)現(xiàn)高CpG的區(qū)域如CGI和HCP一直是去甲基化狀態(tài)且甲基化水平相對(duì)穩(wěn)定锹锰。

極體之間的比較

此外芥炭，對(duì)第1極體和第2極體的甲基化水平進(jìn)行比較，二者從卵母細(xì)胞取出的過(guò)程是對(duì)甲基化狀態(tài)產(chǎn)生了影響以及二者是否本身就存在較大的甲基化水平的差異恃慧。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)园蝠，第1、2極體和卵母細(xì)胞的甲基化水平差別不大痢士，說(shuō)明從卵母細(xì)胞中擠壓出極體的過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生全基因組甲基化的非對(duì)稱(chēng)性彪薛。

卵母細(xì)胞甲基化水平分布

有文獻(xiàn)報(bào)道小鼠中卵母細(xì)胞中non-CpG的DNA甲基化水平，而人類(lèi)卵母細(xì)胞尚未有相關(guān)報(bào)道怠蹂。

繪制gene body側(cè)翼non-CpG甲基化曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)善延，non-CpG甲基化水平較低，gene body的甲基化水平明顯高于側(cè)翼城侧，且整體分布形態(tài)和CpG甲基化模式相似易遣。
不同類(lèi)型胞嘧啶的甲基化水平存在差異那么，DNA甲基化水平和胞嘧啶的密度是否存在關(guān)系嫌佑？

以CpG類(lèi)型為例训挡，對(duì)不同細(xì)胞類(lèi)型樣本的胞嘧啶密度和甲基化水平的關(guān)系進(jìn)行繪制（左圖為高/中等甲基化水平，右圖為低甲基化水平）

親本溯源的甲基化動(dòng)態(tài)變化

胚胎發(fā)育過(guò)程中甲基化發(fā)生了劇烈的變化摊册，那么去甲基化的過(guò)程中父源和母源基因組的甲基化動(dòng)態(tài)如何呢肤京？
使用單細(xì)胞RRBS技術(shù)對(duì)分離出的父源、母源的原核進(jìn)行測(cè)序茅特，并分析了DNA甲基化水平的動(dòng)態(tài)變化忘分。

可見(jiàn)，父源和母源的原核的甲基化動(dòng)態(tài)變化非常的劇烈且并不一致白修。配子階段精細(xì)胞甲基化水平較卵母細(xì)胞稍高妒峦，顯微注射后的數(shù)十個(gè)小時(shí)里發(fā)生了較大的變化，父源和母源原核甲基化水平迅速下降兵睛，父源的去甲基化程度更大肯骇，最終父源的甲基化水平比母源的要低形成反轉(zhuǎn)，免疫熒光染色也證實(shí)了這一點(diǎn)祖很。

差異甲基化區(qū)域分析

接下來(lái)笛丙，對(duì)精細(xì)胞和卵母細(xì)胞的甲基化相似性和差異性進(jìn)行了分析。使用固定長(zhǎng)度區(qū)域（100bp）來(lái)計(jì)算全基因組的tile甲基化水平假颇，并分別對(duì)高甲基化（≥75%）和低甲基化（≤25%）區(qū)域進(jìn)行分析胚鸯。

左圖為卵母細(xì)胞和精細(xì)胞中均高甲基化tile和其他細(xì)胞類(lèi)型樣本甲基化水平的分布；右圖為卵母細(xì)胞和精細(xì)胞中均低甲基化tile和其他細(xì)胞類(lèi)型樣本甲基化水平的分布笨鸡。卵母細(xì)胞和精細(xì)胞間有64.3%的tile的甲基化水平相似姜钳。

分析高甲基化和低甲基化區(qū)域的分布特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)坦冠，高甲基化區(qū)域顯著富集于SINE和LINE等轉(zhuǎn)座子元件，用于抑制轉(zhuǎn)座元件的轉(zhuǎn)錄活性哥桥。而低甲基化區(qū)域富集于HCP蓝牲、增強(qiáng)子、外顯子和CpG島泰讽，用于維持胚胎發(fā)育例衍。
此外，還對(duì)卵母細(xì)胞和精細(xì)胞間的差異甲基化區(qū)域（differentially methylated regions已卸，DMR）進(jìn)行了研究佛玄，分別鑒定出了17,473個(gè)精細(xì)胞特異的DMRs和12,145個(gè)卵母細(xì)胞特異的DMRs。

左圖為卵母細(xì)胞特異的DMRs累澡，右圖為精細(xì)胞特異的DMRs梦抢。

甲基化與組蛋白修飾

接下來(lái)肥矢，對(duì)DNA甲基化與組蛋白修飾間的關(guān)系進(jìn)行了探討端衰。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，胚胎干細(xì)胞和ICM階段H3K27me3區(qū)域通常富含低水平的DNA甲基化甘改，配子和中間的發(fā)育階段同樣存在低甲基化的現(xiàn)象旅东。

甲基化與基因表達(dá)的關(guān)系

隨后荤牍，對(duì)基因表達(dá)和DNA甲基化間的關(guān)系進(jìn)行探討。

分別對(duì)基因體和啟動(dòng)子的甲基化水平與基因表達(dá)量間的相關(guān)性進(jìn)行了計(jì)算榄融，結(jié)果發(fā)現(xiàn)参淫，基因和啟動(dòng)子的 甲基化水平與基因的表達(dá)量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，且發(fā)育后期的負(fù)相關(guān)性越來(lái)越高愧杯。這說(shuō)明，在DNA甲基化的擦除和重建的各個(gè)階段鞋既，啟動(dòng)子的DNA甲基化仍然會(huì)抑制相關(guān)基因的表達(dá)力九。

甲基化與重復(fù)序列的關(guān)系

最后耍铜，對(duì)DNA甲基化是如何抑制轉(zhuǎn)座子元件的機(jī)制進(jìn)行了探討。以常見(jiàn)的長(zhǎng)散在重復(fù)序列（LINE）和短散在重復(fù)序列（SINE）進(jìn)行了探討跌前。

在不同發(fā)育階段棕兼，重復(fù)元件的表達(dá)與DNA甲基化的區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。胚胎發(fā)育早期DNA甲基化被擦除抵乓，重復(fù)元件的表達(dá)水平提升伴挚，后期DNA甲基化水平重建重復(fù)元件的表達(dá)水平被強(qiáng)烈抑制，維持較低的水平（圖a灾炭，c）茎芋。此外，Alu蜈出、MIR田弥、L1和L2的平均甲基化水平符合全基因組甲基化水平的變化。

總結(jié)

本文對(duì)人類(lèi)早期胚胎不同發(fā)育階段樣本的DNA甲基化水平進(jìn)行了探討铡原，對(duì)DNA甲基化偷厦、組蛋白修飾、基因表達(dá)和轉(zhuǎn)座子元件間的關(guān)系進(jìn)行了研究燕刻。

人類(lèi)早期胚胎發(fā)育的各個(gè)階段全基因組的甲基化水平發(fā)生了劇烈的變化只泼，發(fā)生了從去甲基化到甲基化重建的過(guò)程；不同發(fā)育階段的細(xì)胞有其特有的差異甲基化區(qū)域卵洗；DNA甲基化與不類(lèi)型的組蛋白修飾有完全不同的相關(guān)性辜妓，說(shuō)DNA甲基化和不同類(lèi)型的組蛋白修飾各自調(diào)控著一套基因集；轉(zhuǎn)座子元件和DNA甲基化關(guān)系也十分密切忌怎，同樣經(jīng)歷了擦除和重建的過(guò)程籍滴；另外，DNA甲基化的狀態(tài)同時(shí)影響了基因的表達(dá)榴啸，尤其是發(fā)育后期啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化與基因表達(dá)的負(fù)相關(guān)性明顯增強(qiáng)孽惰。

總之，該文系統(tǒng)的研究了人類(lèi)早期胚胎發(fā)育不同階段的DNA甲基化情況鸥印，首次展示了人類(lèi)早期胚胎的表觀(guān)圖景勋功，為以后深入研究胚胎發(fā)育機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

參考資料

The DNA methylation landscape of human early embryos. NATURE. 2014. doi:10.1038/nature13544