哺乳動物發(fā)育研究促進了對協(xié)調(diào)胚胎發(fā)生遺傳、表觀遺傳和細胞過程的理解侣签，并揭示了對人類胚胎發(fā)生特異性新見解。最近研究生成了人類早期胚胎發(fā)生的第一個表觀遺傳學(xué)圖譜，激發(fā)了關(guān)于表觀遺傳學(xué)重編程辞色、細胞命運調(diào)控以及支撐人類胚胎發(fā)育可塑性的潛在機制新想法。本綜述討論了這些對人類早期發(fā)育的表觀遺傳學(xué)調(diào)控新見解以及這些過程對保護發(fā)育的重要性浮定，還強調(diào)了尚未解決的問題和尚待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)相满。
背景（Introduction）
表觀基因組在胚胎發(fā)育的最初幾天會發(fā)生巨大變化。表觀基因組重置和建立在胚胎發(fā)生的更廣泛過程中進行協(xié)調(diào)和促進桦卒。因此需要表觀遺傳調(diào)控來保護發(fā)育并建立在整個生命過程中對基因組功能有影響的長期表觀遺傳狀態(tài)立美。
表觀遺傳信息通過告訴細胞它們的過去、現(xiàn)在和未來來促進胚胎發(fā)育方灾。它提供了對所做決定和過去遇到情況的分子記憶悯辙，將早期事件作為化學(xué)標(biāo)記整合到基因組中并穩(wěn)定傳遞。這些標(biāo)記也會預(yù)示未來事件迎吵，尤其是譜系分化決定，并由不同的表觀遺傳調(diào)節(jié)因子的調(diào)控下發(fā)揮廣泛作用针贬，這些調(diào)節(jié)因子本身具有不同的功能并劃分不同的基因組元件击费。多種表觀遺傳通路（包括染色質(zhì)重塑、組蛋白修飾和DNA甲基化）的協(xié)調(diào)調(diào)控著基因時空表達桦他，并嚴(yán)格限制胚胎發(fā)生過程中重復(fù)元件的必要但潛在有害的活動蔫巩。
受精后，高度特化的精子和卵母細胞的表觀基因組被重編程快压，以建立適合胚胎發(fā)育的全能性狀態(tài)圆仔。母系遺傳因素在受精后的前3天維持人類胚胎的分裂，然后在4細胞期(4C)到8細胞(8C)期發(fā)生胚胎基因組激活(embryonic genome activation蔫劣，EGA)的主要波坪郭。經(jīng)過EGA后，人類胚胎首先形成桑葚胚脉幢，然后形成具有明確內(nèi)細胞團(ICM)的早期囊胚歪沃，植入囊胚有三種不同的細胞系：上胚層(epiblast嗦锐，產(chǎn)生所有胎兒組織)、下胚層(hypoblast沪曙，形成卵黃囊)和滋養(yǎng)外胚層(trophectoderm奕污，后來形成胎盤)。在接下來的一周內(nèi)液走，胚胎形成額外的胚胎外譜系碳默，外胚層開始按照原腸胚形成的預(yù)期進行定型，這在胚胎發(fā)生的第三周開始缘眶。
關(guān)于人類胚胎發(fā)生的許多知識來自于對組織學(xué)的集合研究嘱根。最近改進的方法使人類胚胎的體外培養(yǎng)和研究成為可能，直到大約胚胎第14天(E)磅崭。與此同時儿子，由于人類胚胎研究存在重大技術(shù)和倫理挑戰(zhàn)，大量的體外系統(tǒng)旨在復(fù)制全部或部分早期人類胚胎砸喻。這些細胞包括反映原腸胚形成前期的細胞柔逼，包括8c樣細胞(8clc)、初始和啟動的人多能干細胞(hPSCs)和譜系限制性細胞系割岛。其中一些細胞類型還提供了構(gòu)建更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)愉适，如基于干細胞的整合模型(囊胚和植入后組裝體)和非整合模型，如原腸樣細胞癣漆。
本綜述討論了早期人類發(fā)育的表觀遺傳表征的新見解维咸。這些研究對于理解表觀遺傳過程如何幫助調(diào)控和協(xié)調(diào)人類胚胎發(fā)生，以及表觀遺傳過程如何在這一時期與其他細胞和分子通路協(xié)調(diào)發(fā)生具有重要意義惠爽。對表觀遺傳過程的深入了解也將揭示表觀基因組對遺傳和環(huán)境變異的脆弱性癌蓖。盡管重點是人類胚胎發(fā)育，但在相關(guān)條件下與其他物種的新數(shù)據(jù)以及基于干細胞的胚胎模型進行了比較婚肆。這些替代系統(tǒng)對于幫助建立發(fā)育過程中表觀遺傳過程的因果關(guān)系至關(guān)重要租副。此外還概述了當(dāng)前的知識差距和關(guān)鍵的未決問題。
染色質(zhì)重塑：打開胚胎基因組以塑造發(fā)育程序
在人類胚胎發(fā)生期間较性，染色質(zhì)廣泛重塑以改變其可及性用僧，最大變化與關(guān)鍵發(fā)育的重要階段重合(圖1)。染色質(zhì)可及性可定義為DNA可用于因子(包括轉(zhuǎn)錄機制和表觀遺傳修飾因子)結(jié)合的程度赞咙，其中主要決定因素包括核小體密度和間距责循。這樣，染色質(zhì)可及性代表了區(qū)域調(diào)控基因表達的潛力攀操。
酶的DNA可及性是用于定量染色質(zhì)可及性的技術(shù)基礎(chǔ)蠢沿。這些酶既可以切割可及DNA (DNase-seq和ATAC-seq)，也可以甲基化可及胞嘧啶(NOMe-seq)匾效，這兩種酶都可以通過高通量測序進行檢測舷蟀。將這些方法應(yīng)用于微量（low-input）和單細胞（single-cell）應(yīng)用，能夠?qū)θ祟惻咛サ娜旧|(zhì)可及性進行分析面哼。
這些研究的一致發(fā)現(xiàn)是野宜，在2-細胞(2C)和囊胚期之間，人類胚胎基因組中已鑒定的可接近區(qū)域的數(shù)量逐漸增加(圖1)魔策。不同研究中增加的程度有很大差異匈子，可能是由于用于鑒定可接近染色質(zhì)的實驗和計算方法不同。但總體趨勢一致闯袒。與可接近區(qū)域的數(shù)量相反虎敦，在增加到囊胚期之前，從受精卵到8C期的總?cè)旧|(zhì)可及性(通過基于甲基化的基因組中可及胞嘧啶比例定量確定)短暫降低政敢。這一模式可能表明人類受精卵具有全基因組開放的染色質(zhì)狀態(tài)其徙，這是切割方法無法檢測到的∨缁В總之擂橘，這些染色質(zhì)可及性的動態(tài)變化支持基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(GRNs)在早期發(fā)育過程中多次重塑，以建立新的發(fā)育程序摩骨。
受精卵的初始重塑定義pre-EGA染色質(zhì)可及性
在整個人類胚胎發(fā)育過程中，可及性區(qū)域富集了啟動子朗若、CpG島和遠端調(diào)控元件(如增強子)恼五，與卵母細胞相比，超過8000個啟動子在人類受精卵中獲得可及性哭懈，這些啟動子通常在植入前發(fā)育的整個過程中保持開放狀態(tài)灾馒。
鑒于胚胎基因組的主要轉(zhuǎn)錄直到EGA才發(fā)生，那么在8C期之前大量可及性染色質(zhì)區(qū)域的功能是什么?一種可能性是這些染色質(zhì)變化是親本基因組從配子狀態(tài)重塑到胚胎狀態(tài)的副作用遣总。卵母細胞的染色質(zhì)相對開放睬罗，而精子的染色質(zhì)高度濃縮在人類胚胎中轨功，受精后父源基因組的可及性迅速增加，達到高于母源基因組的水平容达。這種不對稱差異一直維持至4C期古涧，此時母本和父本基因組的可及性在EGA中相等。
另一種可能性是在受精卵中獲得可及性區(qū)域支持次要EGA花盐，即少量基因在主要pre-EGA轉(zhuǎn)錄羡滑。然而這并不能完全解釋在pre-EGA胚胎中存在數(shù)千個可及區(qū)域。第三種情況與發(fā)育基因調(diào)控相關(guān)算芯。人類2C胚胎中的大多數(shù)可及啟動子也在8C期獲得柒昏，盡管這些啟動子轉(zhuǎn)錄不在2C期發(fā)生，但其中許多基因后來在8C期表達(圖2A)熙揍。因此职祷，這些可接近啟動子可能在2C期“蓄勢”以備以后的激活，這意味著pre-EGA染色質(zhì)譜的建立可能對EGA主要基因子集的及時表達非常重要届囚。這種pre-EGA啟動子形式已經(jīng)在斑馬魚中報道過有梆，在人類胚胎中，在pre-EGA獲得可及性區(qū)域在代謝和生物合成等功能上富集奖亚。單細胞方法表明淳梦，相同胚胎期的單個細胞之間總是可接近這些區(qū)域(圖2B)。與在早期發(fā)育后期獲得可及性或以更異質(zhì)性方式獲得可及性的基因相比昔字，這種早期可及性獲得同質(zhì)模式的基因在EGA后表達更高爆袍。因此，pre-EGA染色質(zhì)可及性景觀也可能為重要的管家（housekeeping）基因提供高水平表達的基礎(chǔ)作郭，從而為發(fā)育過程的發(fā)生提供基礎(chǔ)陨囊。
EGA的主要染色質(zhì)可及性重塑
早期人類胚胎中染色質(zhì)可及性的最大差異胎食，特別是在啟動子上，區(qū)分了4C和早期與8C和后期允懂。這個分離點與EGA一致厕怜，事實上，大多數(shù)在EGA轉(zhuǎn)錄上調(diào)的基因在4C和8C期之間變得可接近。
這種染色質(zhì)譜的重塑在EGA中是否具有功能作用粥航？單細胞中染色質(zhì)可及性和轉(zhuǎn)錄組的聯(lián)合分析顯示琅捏，從2C到桑椹胚期的基因表達動態(tài)反映在其啟動子和假定的遠端調(diào)控區(qū)的可及性動態(tài)。這些關(guān)系的因果關(guān)系尚不清楚递雀。許多啟動子在EGA處表現(xiàn)出其可及性區(qū)域擴大柄延，這與轉(zhuǎn)錄增加一致。然而在經(jīng)轉(zhuǎn)錄抑制劑α-amanitin處理的胚胎中映之，大多數(shù)啟動子的可及性區(qū)域都會擴大拦焚。這表明，至少對于啟動子來說杠输，可及性增加主要先于基因表達增加赎败。相反，可接近啟動子的轉(zhuǎn)錄非依賴性擴大可以通過重新定位核小體的整體過程來介導(dǎo)蠢甲。相反僵刮，α-amanitin處理也導(dǎo)致8C胚胎具有類似于Pre-EGA胚胎的遠端調(diào)節(jié)元件可及性。這表明轉(zhuǎn)錄對于EGA染色質(zhì)可及性的改變是必要的鹦牛，至少在遠端元件是如此搞糕。總之曼追，調(diào)控區(qū)域染色質(zhì)可及性與基因表達相關(guān)窍仰；然而染色質(zhì)可及性變化可能在不同的調(diào)控區(qū)環(huán)境中驅(qū)動或反映EGA結(jié)果。
染色質(zhì)可及性變化與譜系特異性有關(guān)
從人類發(fā)育的桑葚胚期及其以后在其啟動子處獲得可及性的基因在發(fā)育過程中富集礼殊。這一可及性的增加先于第一次譜系決定驹吮，表明染色質(zhì)可及性可能在細胞譜系分離過程中對GRN形成具有重要的功能。僅從轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)就可以推斷出GRN晶伦。然而碟狞，在GRN分析中納入染色質(zhì)可及性數(shù)據(jù)可提高準(zhǔn)確性，特別是對于人類胚胎數(shù)據(jù)等低樣本量的數(shù)據(jù)婚陪，并且可以預(yù)測增強子相關(guān)性族沃。這些方法在人類囊胚譜系中鑒定出保守的GRN，由JUND和SOX4組成泌参，它們共同調(diào)節(jié)TFAP2C表達脆淹，而TFAP2C又調(diào)控GCM1表達。這些結(jié)果強調(diào)了染色質(zhì)可及性圖譜對于理解GRN在早期胚胎發(fā)育過程中如何變化的價值沽一。
可能影響細胞命運決定的另一個重要特征是盖溺，染色質(zhì)可及性(尤其是啟動子)的細胞間變化從桑葚胚期開始顯著增加(圖1)。啟動子可及性與這些區(qū)域的基因表達呈強相關(guān)锯玛，這意味著啟動子可及性變化可能驅(qū)動基因表達變化(圖2B)。同時，ICM調(diào)節(jié)因子(OCT4攘残、KLF和SOX家族)和滋養(yǎng)細胞外胚層調(diào)節(jié)因子(GATA和TEAD家族)的motif區(qū)域富集拙友。因此，胚胎內(nèi)染色質(zhì)可及性異質(zhì)性可能提供了細胞命運決定的靈活性歼郭，或使細胞偏向于特定命運遗契。
盡管人類胚胎中介導(dǎo)與譜系分離和變化相關(guān)的染色質(zhì)可及性變化因子尚未鑒定，但有幾個很有前景的線索病曾。這包括早期小鼠胚胎發(fā)育所需的核小體重塑復(fù)合物(SWI/SNF牍蜂、CHD和ISWI) ，以及與初始hPSCs中的外胚層轉(zhuǎn)錄因子OCT4相關(guān)的核小體重塑SNF2家族亞基泰涂，以調(diào)節(jié)囊胚譜系基因鲫竞。此外雖然在人類植入前發(fā)育的所有階段，可及性和DNA甲基化之間呈負相關(guān)逼蒙，但在同一胚胎期細胞中从绘，染色質(zhì)可及性最可變區(qū)域是最一致的低甲基化區(qū)域。這表明低甲基化可能支持染色質(zhì)可及性變化是牢。這可能通過允許甲基化微小變化驅(qū)動核小體占位實質(zhì)性變化僵井，從而實現(xiàn)染色質(zhì)可及性〔道猓或者低甲基化可能構(gòu)成一種允許其他因子(包括轉(zhuǎn)錄因子)結(jié)合的狀態(tài)批什，而轉(zhuǎn)錄因子又根據(jù)可變的可利用性影響染色質(zhì)可及性。通過這種方式社搅，染色質(zhì)重塑和DNA甲基化互作可能有助于人類早期發(fā)育的細胞可塑性驻债。
對于大多數(shù)啟動子，post-EGA期可及性增加與該階段各自基因轉(zhuǎn)錄相關(guān)罚渐。然而其他基因顯示出更復(fù)雜的關(guān)系却汉，可能意味著調(diào)控發(fā)育基因的不同機制。高達30%啟動子在8C或桑椹胚期可及荷并，但在post-EGA植入前期沒有表達合砂。這些啟動子可以在植入后期被激活。雖然這種可能性需要進一步研究源织，但一項相關(guān)發(fā)現(xiàn)是8CLC可及區(qū)域富集通常與原腸胚形成后譜系相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子motif翩伪。這些可及基因可能在早期表達，但在被其他過程沉默時保持其可及性谈息。一個例子是EGA基因在桑葚胚期被沉默缘屹。
人類胚胎植入后的染色質(zhì)可及性還有待研究。因此染色質(zhì)可及性譜如何在植入后譜系中解決仍然未知侠仇。然而染色質(zhì)可及性已在食蟹猴胚胎植入后發(fā)育中進行了研究轻姿。該研究結(jié)果表明犁珠，染色質(zhì)可及性在原始條索狀細胞中達到峰值，之后在分化較強的胚層譜系中下降(圖1)互亮。這在人類胚胎中是否保守具有重要意義犁享。為此研究者在基于干細胞植入后人類發(fā)育模型中共同研究了染色質(zhì)可及性和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析虐秦，以研究這一人類模型對靈長類胚胎是否顯示出類似的染色質(zhì)可及性動態(tài)變化建邓，以及植入后的譜系命運是否可能在發(fā)育早期就已確定。
總之染色質(zhì)重塑改變了早期人類胚胎發(fā)育的多個時期可及性圖譜贱田，并涉及從胚胎轉(zhuǎn)錄激活到未來基因表達鑒定等廣泛過程威根。關(guān)鍵問題包括：啟動子狀態(tài)是否持續(xù)至植入后階段凤巨？染色質(zhì)可及性變化是否指導(dǎo)細胞命運決定，這種變化的誘導(dǎo)因子洛搀？人類胚胎發(fā)育背景下可及性區(qū)域廣度如何影響區(qū)域調(diào)控潛力敢茁？轉(zhuǎn)錄因子、核小體重塑因子和轉(zhuǎn)錄本身可能部分導(dǎo)致染色質(zhì)可及性變化姥卢。然而染色質(zhì)重塑發(fā)生在更廣泛的表觀遺傳重編程背景下卷要，因此DNA甲基化和組蛋白修飾變化也可能有助于染色質(zhì)重塑的最終功能結(jié)局。
組蛋白修飾：基因組激活和發(fā)育基因的動態(tài)調(diào)控因子
與染色質(zhì)可及性相似独榴，組蛋白修飾在發(fā)育過程中也高度動態(tài)(圖1)僧叉。組蛋白修飾變化普遍存在，發(fā)生在不同的發(fā)育時期和不同類型的基因組區(qū)域之間棺榔。組蛋白修飾具有組合作用瓶堕，大致可分為兩類：(1)促進性染色質(zhì)相關(guān)修飾，如啟動子上的H3K4me3症歇，增強子和其他基因間區(qū)域的H3K4me1郎笆，以及活性增強子和啟動子上的H3K27ac；(2)抑制性染色質(zhì)相關(guān)修飾忘晤，如H3K27me3和H3K9me3宛蚓。每一種修飾又會招募下游效應(yīng)因子，進而介導(dǎo)對基因組功能和活性的進一步影響设塔∑嗬簦可以識別或調(diào)節(jié)組蛋白的系統(tǒng)具有多種亞基、亞型和變異體闰蛔，其復(fù)雜性非常巨大痕钢，而且還在不斷擴大。
發(fā)育過程中組蛋白修飾圖譜繪制落后于其他表觀遺傳標(biāo)記序六，主要是因為組蛋白分析方法通常需要數(shù)千~數(shù)百萬個細胞任连，因此與可用胚胎細胞數(shù)量匹配。同時也已經(jīng)開發(fā)出需要更少樣本的方法例诀，例如low-input染色質(zhì)免疫沉淀測序（ChIP-seq）随抠、CUT&RUN和CUT&Tag裁着，并已被用于生成第一個人類胚胎和其他物種的組蛋白修飾圖。
卵母細胞和早期胚胎中的經(jīng)典和非經(jīng)典組蛋白修飾模式
在哺乳動物卵母細胞和早期胚胎生長過程中拱她，組蛋白標(biāo)記沉積在時間和空間上受到高度調(diào)節(jié)跨算。人類和其他哺乳動物的卵母細胞含有較大的非轉(zhuǎn)錄部分DNA甲基化結(jié)構(gòu)域（PMDs）。在大多數(shù)哺乳動物物種中椭懊，卵母細胞中的PMD由H3K4me3標(biāo)記。但在人類卵母細胞中步势，PMDs沒有被H3K4me3標(biāo)記氧猬，相反卵母細胞在基因啟動子處具有H3K4me3強富集的狹窄區(qū)域的典型模式，精子中也存在類似的模式（圖2A）坏瘩。受精后盅抚，2C和4C人類胚胎在卵母細胞遺傳的PMD中獲得中等水平的H3K4me3。這樣pre-EGA人類胚胎獲得了在這個發(fā)育期與小鼠胚胎更相似的一種整體H3K4me3模式倔矾。然而與小鼠相比妄均，人類卵母細胞PMDs中H3K4me3增加是有限，因為這些區(qū)域的H3K4me3水平相對于啟動子中的H3K4me3水平較低哪自，并且也僅限于富集基因的卵母細胞的PMD子集丰包。此外一些啟動子獲得H3K4me3，與轉(zhuǎn)錄無關(guān)壤巷，但似乎反映了活性甲基轉(zhuǎn)移酶的靶向性邑彪，特別是對未甲基化的CpG富集區(qū)域。在小鼠中胧华，H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶KMT2B在啟動子和PMD上以不依賴轉(zhuǎn)錄的方式催化H3K4me3寄症，并可能在pre-EGA人類胚胎發(fā)揮類似作用。
其他組蛋白修飾的式在物種間更為保守矩动。在人類和其他物種的卵母細胞中有巧，PMD具有廣泛的H3K27me3覆蓋率。雖然這種覆蓋率功能尚不確定悲没，但小鼠卵母細胞和早期胚胎中較大的基因間H3K27me3修飾區(qū)域形成了自我互作結(jié)構(gòu)域篮迎，據(jù)推測這些結(jié)構(gòu)域可以劃分母本基因組以誘導(dǎo)抑制重復(fù)元件。H3K27me3也存在于人類卵母細胞檀训、精子和早期胚胎中柑潦，位于與發(fā)育基因啟動子重疊的強富集典型位點。H3K9me3相對于其他胚胎期峻凫，在人類卵母細胞的基因密集區(qū)域富集渗鬼，這可能提供了抑制卵母細胞轉(zhuǎn)錄的另一種機制。
到2C期荧琼，大多數(shù)精子遺傳的H3K27me3丟失譬胎，而卵母細胞特異性H3K27me3被短暫保留差牛，然后在4C期去除。這些動態(tài)變化與受精后的牛和豬胚胎相似堰乔，但與小鼠胚胎不同偏化，小鼠胚胎在囊胚期前保留了一些卵母細胞遺傳的H3K27me3。這些差異對小鼠依賴卵母細胞來源的H3K27me3維持過程具有重要意義镐侯。與受精后PMD中H3K27me3去除相一致侦讨，這些廣泛區(qū)域中的大多數(shù)基因在2C和4C胚胎中被H3K27ac標(biāo)記，與H3K4me3重疊苟翻。鑒于這些結(jié)構(gòu)域在卵母細胞中被H3K27me3修飾韵卤，H3K27ac很可能在受精后的PMDs中de
novo 建立。需要在人卵母細胞對H3K27ac進行分析來證實這一假設(shè)崇猫。
特別重要的是這些表觀基因組變化是否調(diào)控EGA基因激活沈条。可能調(diào)節(jié)EGA基因的增強子序列經(jīng)歷重編程诅炉，從而導(dǎo)致H3K9me3丟失蜡歹，并在4C期和8C期之間更易接近性，這與EGA基因被激活時間相對應(yīng)涕烧。通過表達dCas9-KRAB誘導(dǎo)H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶的位點特異性募集月而，從而在人類胚胎中實驗性強制H3K9me3的持久性，導(dǎo)致EGA基因不能完全激活和發(fā)育遲緩议纯。這些實驗表明EGA基因調(diào)控區(qū)域需要重塑景鼠，以調(diào)控其在發(fā)育過程中的激活時間。另一種可能性是4C胚胎中廣泛的H3K4me3結(jié)構(gòu)域有助于瞬時抑制EGA直到合適時間痹扇。這一觀點在小鼠和豬受精卵中H3K4me3去甲基化酶敲除的研究中得到支持铛漓，這導(dǎo)致EGA基因激活減少且未能發(fā)育到囊胚期。這表明及時解決這些大結(jié)構(gòu)域是必需步驟鲫构。成功EGA可能需要將H3K27ac的廣泛結(jié)構(gòu)域分解成narrow peaks浓恶，因為人類受精卵中組蛋白去乙酰化酶失活限制EGA基因子集轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)结笨“總之，EGA前調(diào)控去除特定組蛋白修飾是確保發(fā)育進展的主要表觀遺傳事件炕吸。
Post-EGA表觀遺傳重構(gòu)建立新的發(fā)育程序
從8C期到囊胚期人類胚胎發(fā)育涵蓋了廣泛的組蛋白修飾變化（圖2A）伐憾。這一時期的一個顯著特征是8C人類胚胎中幾乎不存在H3K27me3。這可能是由于缺乏母體提供的催化H3K27me3的polycomb蛋白赫模，以及受精后不久H3K27me3（尤其是精子來源的H3K27me3）主動清除树肃。在EGA之前，啟動子區(qū)H3K27me3的去除在物種間高度保守瀑罗。
8C期EGA顯著改變了表觀遺傳修飾因子豐度胸嘴，每個修飾因子都有其對經(jīng)典或非經(jīng)典靶點偏好雏掠。因此，EGA（母系遺傳）前與EGA（基因組轉(zhuǎn)錄）后表觀遺傳修飾因子可用性差異重塑表觀基因組劣像。例如乡话，Polycomb組蛋白在EGA之后轉(zhuǎn)錄，并在發(fā)育基因附近沉積H3K27me3耳奕，在此過程中將大多數(shù)CpG富集調(diào)節(jié)區(qū)域分解為活性绑青、二價或抑制染色質(zhì)狀態(tài)（圖2A）。確認共修飾的二價核小體（H3K27me3和H3K4me3）需要進一步分析屋群，如單核小體分析或ChIP分析时迫。H3K27me3的另一個潛在功能是在EGA完成后幫助抑制啟動EGA基因。在囊胚中谓晌，H3K27me3存在于EGA基因啟動子處，表明其可能在影響EGA退出中發(fā)揮作用癞揉。已在牛胚胎中使用α-amanitin蛋白阻斷胚胎基因組轉(zhuǎn)錄纸肉，從而誘導(dǎo)polycomb組蛋白表達。處理后胚胎的染色質(zhì)狀態(tài)保持在pre-EGA模式喊熟，表明轉(zhuǎn)錄和激活polycomb組蛋白表達是重組EGA后表觀遺傳圖譜所必需柏肪。H3K4me3水平在4C和8C期間也發(fā)生顯著變化，這與卵母細胞遺傳的PMDs中H3K4me3減少和許多基因啟動子中H3K4me3減少有關(guān)芥牌。這些變化伴隨著H3K4去甲基化酶KDM5B的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)和H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶KMT2B的下調(diào)烦味，盡管這些蛋白在人類胚胎中的功能作用尚未驗證。
一個關(guān)鍵的問題是為什么胚胎在早期胚胎發(fā)生中經(jīng)歷組蛋白標(biāo)記重編程壁拉。有幾個潛在的原因：解決預(yù)先存在的染色質(zhì)狀態(tài)谬俄，去除親本遺傳的表觀遺傳標(biāo)記和表觀突變（epimutations），或支持發(fā)病和關(guān)閉EGA弃理。無論是什么原因溃论，一旦重置，新的染色質(zhì)狀態(tài)將繼續(xù)建立痘昌，由CpG序列存在钥勋、染色質(zhì)蛋白可用性以及與其他基因調(diào)控過程互作，從而導(dǎo)致順式調(diào)控區(qū)域的重新標(biāo)記和發(fā)育程序出現(xiàn)辆苔。
組蛋白修飾對胚胎譜系分化的影響
組蛋白修飾是否以及如何影響植入前人類胚胎的譜系命運是重要的算灸，尚未解決的問題。一些外胚層特異性和內(nèi)胚層特異性基因在滋養(yǎng)外胚層細胞中被H3K27me3標(biāo)記驻啤，盡管大多數(shù)滋養(yǎng)外胚層特異性基因在早期胚泡的ICM細胞中基本上沒有H3K27me3菲驴。這些不對稱模式可能會隨著胚胎的發(fā)育而加強譜系決定。在牛胚泡中也觀察到了某些譜系調(diào)節(jié)因子的交叉抑制模骑冗。事實上谢翎，干擾H3K27me3在人胚泡細胞和初始hPSC中的沉積會導(dǎo)致從外胚層樣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽甜B(yǎng)外胚層樣狀態(tài)捍靠。
同樣的，可以拮抗某些轉(zhuǎn)錄因子與其靶序列結(jié)合的H3K9me3也可能有助于形成新的GRN森逮。H3K9me3沉積中的細胞特異性差異可能通過限制早期滋養(yǎng)外胚層中的特定轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合和激活可能促進ICM命運的基因來加強譜系障礙榨婆。為了進一步定義GRN，繪制H3K27ac和染色質(zhì)可及性已經(jīng)確定了8C和ICM細胞中假定的活性增強子（圖2A）褒侧。在這些增強子上富集的DNA序列包括那些與譜系限制性轉(zhuǎn)錄因子的目標(biāo)motif匹配的序列良风。
總之，在早期人類胚胎發(fā)育過程中闷供，組蛋白修飾在全基因組范圍內(nèi)發(fā)生重大變化烟央，且在EGA因子和發(fā)育基因調(diào)控的特定基因組表征上發(fā)生變化。關(guān)鍵的未解決問題包括：組蛋白修飾是否調(diào)控EGA基因的及時誘導(dǎo)和隨后的抑制歪脏？染色質(zhì)修飾過程在賦予早期胚胎細胞與多譜系分化的持續(xù)能力相關(guān)的發(fā)育可塑性方面的確切作用是什么疑俭？在更多的胚胎期（包括植入后）對組蛋白修飾進行進一步分析，以及有針對性的表觀基因組工程和功能喪失方法婿失，以檢測定義因子在胚胎和胚胎模型中的致病作用钞艇，將有助于克服其中一些知識空白。更廣泛地說豪硅，在其他情況下的研究已經(jīng)證實哩照，染色質(zhì)的組蛋白狀態(tài)也決定了其他基本的細胞過程，包括DNA復(fù)制和DNA修復(fù)懒浮。更好地了解組蛋白修飾與早期人類胚胎發(fā)生中DNA復(fù)制/修復(fù)之間的關(guān)系是一個很有前景的研究方向飘弧。鑒于人類胚胎中非整倍體細胞的高發(fā)生率，這一點尤其重要砚著。
DNA甲基化：保護基因組穩(wěn)定性和發(fā)育基因表達
DNA甲基化是指在胞嘧啶中添加甲基以形成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine, 5mC）次伶，其主要發(fā)生在CpG二核苷酸上。DNA甲基化模式由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3A和DNMT3B建立稽穆，并由DNMT1維持学少，非催化蛋白DNMT3L作為輔因子，在它們?nèi)笔У那闆r下秧骑，5mC通過被動去甲基化或通過TET羥化酶將5mC氧化成5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine, 5hmC)的主動DNA去甲基化從基因組中去除版确。檢測胚胎發(fā)生過程中DNA甲基化的主要方法是用識別5mC的抗體進行免疫細胞化學(xué)和分析技術(shù)，包括簡化基因組甲基化測序(reduced representation bisulfite sequencing乎折，RRBS)绒疗，全基因組重亞硫酸鹽測序（whole-genome bisulfite sequencing，WGBS）和PBAT甲基化測序（post-bisulfite adapter tagging）骂澄。
胚胎植入前發(fā)育過程中DNA去甲基化和甲基化變化
DNA甲基化的重編程涉及在人類胚胎發(fā)育的植入前和植入后期去除和重建DNA甲基化模式（圖1）吓蘑。這些事件對于重置遺傳親本甲基化至關(guān)重要，從而構(gòu)建新的DNA甲基化譜。
整體DNA甲基化去除發(fā)生在植入前人類胚胎發(fā)育的幾個時期磨镶。受精后12小時內(nèi)發(fā)生了一次主要的去甲基化溃蔫，其中基因間區(qū)域（如增強子）以及基因體區(qū)域主要發(fā)生去甲基化。從受精卵后期到2C期琳猫，然后從8C到桑椹胚和胚泡期伟叛，進一步發(fā)生去甲基化。在這些階段脐嫂，內(nèi)含子和SINE元件尤其是年輕Alu亞家族的去甲基化很明顯统刮。小鼠中有幾個因子與受精卵的快速去甲基化有關(guān)，最顯著的是TET3账千，小鼠胚胎分析顯示侥蒙，去甲基化位點在5hmC中大量富集。TET3在人卵母細胞中也高表達匀奏；然而鞭衩，介導(dǎo)去甲基化過程的機制以及不同機制是否在不同時期起作用仍有待在人類胚胎中進行實驗驗證。
幾項研究進一步確定了父源基因組和母源基因組之間去甲基化存在顯著差異娃善。與小鼠類似论衍，人類精子的甲基化水平高于卵母細胞，在胚胎植入前的所有時期会放，父源基因組經(jīng)歷更快的去甲基化，而母源基因組在所有植入前階段都保持較高的殘留甲基化水平钉凌。除了不同的親本效應(yīng)外咧最，甲基化標(biāo)記的基因組位點也存在差異，從而在受精卵的兩個親本基因組之間產(chǎn)生差異甲基化區(qū)域：父本高甲基化區(qū)域在基因間區(qū)域相對富集御雕，而母本高甲基化區(qū)域在基因內(nèi)區(qū)域富集矢沿，包括外顯子和內(nèi)含子。這些母系遺傳的甲基化標(biāo)記中的一些一直持續(xù)到胚泡期和胎盤中酸纲。除了幾個特定序列外捣鲸，由于親本基因組之間的大多數(shù)DNA甲基化差異似乎不影響植入前階段的等位基因特異性基因表達，親本特異性甲基化的功能重要性仍不確定闽坡。
發(fā)育中的胚胎中的大多數(shù)常染色體基因都在兩個基因組中表達栽惶，但一組印跡基因表現(xiàn)出親本依賴性表達，其中一個拷貝被關(guān)閉疾嗅。在這些印跡基因中外厂，一個等位基因在配子發(fā)生過程中在其相應(yīng)的初級印跡調(diào)控區(qū)（ICR）被DNA甲基化標(biāo)記。為保護ICR免受去甲基化代承，在人類發(fā)育過程中保護ICR的蛋白質(zhì)開始被發(fā)現(xiàn)汁蝶，并且可能具有物種特異性。其他逃脫DNA去甲基化區(qū)域由一個年輕的LINE家族代表，特別是L1PA家族掖棉。這表明了一種保護機制墓律，可以防止這些進化上年輕的轉(zhuǎn)座元件激活。
盡管在植入前發(fā)育過程中發(fā)生了甲基化丟失幔亥，但從4C期到8C期也發(fā)生了de novo DNA甲基化耻讽。新的甲基化區(qū)域在重復(fù)元件富集，例如SINE紫谷，LINEs和長末端重復(fù)序列（LTR）齐饮。且經(jīng)歷de novo甲基化的區(qū)域通常在桑椹胚和囊胚期再次去甲基化，強調(diào)了甲基化變化的瞬時性和動態(tài)性笤昨。
DNA甲基化對植入后胚胎發(fā)育的影響
在人類囊胚中祖驱，ICM和滋養(yǎng)外胚層具有相似的DNA甲基化譜，表明滋養(yǎng)外胚層的初始誘導(dǎo)在很大程度上獨立于DNA甲基化瞒窒。然而DNA甲基化如何影響人類胚胎的譜系成熟和植入后發(fā)育是關(guān)鍵問題捺僻。植入后人類胚胎的DNA甲基化組分析表明，相當(dāng)大的DNA再甲基化發(fā)生在E7和E12之間崇裁。調(diào)節(jié)de novo甲基化機制已在小鼠中得到表征匕坯，但DNMT3A和DNMT3B的相對功能貢獻（兩者在植入后在人類胚胎中轉(zhuǎn)錄上調(diào)）仍有待在人類植入后發(fā)育中進行實驗驗證。人類胚胎的外胚層拔稳，滋養(yǎng)外胚層和內(nèi)胚層在DNA de novo甲基化模式中具有顯著的變異性和不同步性葛峻。特別是植入后，植入后巴比，與外胚層和滋養(yǎng)外胚層譜系的細胞相比术奖，內(nèi)胚層的DNA再甲基化速度較慢，并且在同一發(fā)育時期轻绞，內(nèi)胚層的中位DNA甲基化水平約為外胚層的一半(33%：60%)采记。這表明盡管外胚層和內(nèi)胚層細胞都起源于ICM，但它們具有不同的DNA再甲基化機制政勃。也許這表明在這個特定的發(fā)育時期唧龄，相對于外胚層譜系，內(nèi)胚層具有更大的發(fā)育可塑性奸远。
三個譜系中的DNA再甲基化也發(fā)生在具有譜系特異性表征的特定基因組元件上既棺。在植入后人類發(fā)育過程中，超過200個啟動子區(qū)域DNA甲基化懒叛。此外援制，E8的每個細胞譜系都具有特定的甲基化模式：外胚層相關(guān)基因的啟動子在滋養(yǎng)外胚層中被甲基化，但在外胚層和內(nèi)胚層譜系中均未被甲基化芍瑞。相比之下晨仑，滋養(yǎng)外胚層限制基因的啟動子在外胚層和內(nèi)胚層譜系中被甲基化，內(nèi)胚層相關(guān)基因啟動子在外胚層和滋養(yǎng)外胚層譜系中被甲基化。這些發(fā)現(xiàn)表明DNA甲基化一旦形成洪己，可能有助于維持不同的譜系命運妥凳。
通過原腸胚形成和神經(jīng)形成期培養(yǎng)食蟹猴胚胎的新方法，為研究植入后胚胎的表觀遺傳變化提供了機會答捕。單細胞多組學(xué)分析結(jié)果表明逝钥，食蟹猴胚胎在每種鑒定的細胞類型中都會經(jīng)歷特定的DNA甲基化模式。胚胎細胞的DNA甲基化水平明顯高于胚外細胞拱镐。這一發(fā)現(xiàn)與先前在小鼠和人類中的報道一致艘款。重要的是，食蟹猴胚胎中的啟動子區(qū)域沃琅、LINEs哗咆、LTR區(qū)域和SINEs在食蟹猴胚胎中顯示出與在每種細胞類型中觀察到的總體DNA甲基化相似模式。然而益眉，這些元件中的每一個都表現(xiàn)出不同程度的甲基化晌柬，這與小鼠的觀察結(jié)果一致。
總之郭脂，DNA甲基化在早期胚胎發(fā)生過程中是一個高度動態(tài)的過程年碘，涉及一系列的去甲基化和de novo甲基化。關(guān)鍵的問題包括：植入后人類胚胎發(fā)育中DNA甲基化的譜系特異性變化展鸡、基因組特征和功能調(diào)節(jié)因子是什么屿衅？植入前和植入后的物種特異性DNA甲基化模式是什么，這些信息可以更全面地了解進化過程中保守的DNA甲基化模式莹弊？
人類發(fā)育表觀遺傳學(xué)的重要性
確保胚胎發(fā)生過程中忠實的表觀遺傳調(diào)控的重要性不僅體現(xiàn)上述實驗研究涤久，而且還體現(xiàn)在表觀遺傳過程破壞的個體發(fā)育結(jié)果以及在某些人類胚胎模型和類器官中喪失表觀遺傳保真度中。
在模式生物中箱硕，許多表觀遺傳調(diào)節(jié)因子編碼基因的純合突變會導(dǎo)致早期發(fā)育失敗拴竹。據(jù)推測悟衩，人類類似功能喪失突變也會導(dǎo)致早期妊娠丟失剧罩。人類其他突變(通常為雜合突變或半合突變)通常與發(fā)育一致，但可引起多種先天性疾病座泳，包括Rubinstein-Taybi綜合征(乙酰轉(zhuǎn)移酶CBP和p300編碼基因突變)惠昔、ICF綜合征(通常與DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3B編碼基因突變相關(guān))和Kabuki綜合征(影響組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶KMT2D遺傳變異)。
另一個重要特征是表觀基因組建立可以使早期人類胚胎特別容易受應(yīng)激或表觀基因組改變過程中的變化影響挑势。這種脆弱性與理解早期環(huán)境暴露的后果以及體外培養(yǎng)改變卵母細胞和植入前胚胎表觀基因組的潛力相關(guān)镇防。鑒于輔助生殖技術(shù)的日益普及，目前的工作至關(guān)重要潮饱，以確定這些技術(shù)對發(fā)育表觀基因組的影響来氧。
最后，必須強調(diào)的是，廣泛應(yīng)用的體外細胞模型也可能發(fā)生異常表觀基因組變化啦扬。hPSCs基因組印記和XCI變化影響胚胎模型和這些細胞系源類器官的保真度中狂。進一步的意義是，目前由初始hPSCs生成的大多數(shù)人類母細胞模型由于異常印記而存在“內(nèi)在缺陷”扑毡。由于印記基因的忠實調(diào)控是哺乳動物發(fā)育所必需的胃榕，因此這一缺陷可能會限制人類母細胞持續(xù)發(fā)育的能力。未來的培養(yǎng)方法無疑將支持在初始hPSCs中維持正常印記瞄摊，但在短期內(nèi)勋又，這一表觀遺傳異常對有關(guān)母細胞和其他胚胎模型的發(fā)育潛力和生存力的科學(xué)、倫理和政策討論具有影響换帜。即使在hPSCs中大多數(shù)印記達到了完美的保真度楔壤，重要的是要注意，胎盤特異性DNA甲基化印記在包括hPSCs在內(nèi)的表母細胞來源的細胞系中缺失膜赃。胎盤印記及其相關(guān)基因的錯誤調(diào)節(jié)會破壞hPSCs來源的滋養(yǎng)層細胞的誘導(dǎo)和生長挺邀，因此，這種內(nèi)在的錯誤調(diào)節(jié)也可能影響hPSCs來源的胚外細胞類型的干細胞胚胎模型的保真度跳座。
參考文獻：
WilkinsonAL, Zorzan I, Rugg-Gunn PJ. Epigenetic regulation of early human embryodevelopment. Cell Stem Cell. 2023 Oct 12. pii: S1934-5909(23)00331-4. doi:10.1016/j.stem.2023.09.010. PubMed PMID: 37858333.
