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清华颉伟组和同济高绍荣组在《自然》发表“背靠背”论文,揭示早期胚胎发育的表观遗传图景

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来源:BioArt/贾小方 2016-09-18 12:58

清华颉伟组和同济高绍荣组在《自然》发表“背靠背”论文,揭示早期胚胎发育的表观遗传图景——附哈佛大学张毅教授课题组陆发隆博士特别评论文:贾小方、BioArt   点评:陆发隆(哈佛大学)随着表观遗传学的生化

清华颉伟组和同济高绍荣组在《自然》发表“背靠背”论文,揭示早期胚胎发育的表观遗传图景——附哈佛大学张毅教授课题组陆发隆博士特别评论

文:贾小方、BioArt   点评:陆发隆(哈佛大学)

随着表观遗传学的生化方面的机制研究得日益透彻,其生物学意义也在不断扩展,在诸如干细胞、免疫、神经、疾病模型和肿瘤等领域也成为最热门的交叉领域。然而在早期胚胎发育方面,虽然人们对这一主题很感兴趣,但是受制于细胞数量极为有限而一直缺乏系统深入的研究。另外,表观遗传信息如组蛋白修饰是否能够真正在亲代与子代间遗传仍然知之甚少。

9月15日清华大学生命科学学院颉伟和医学院那洁研究组、同济大学高绍荣实验室分别在《自然》杂志(Nature)发表“背靠背”的研究论文(清华方面,颉伟研究员和那洁研究员为文章共同通讯作者;同济方面,高绍荣教授、高亚威副教授和张勇教授为文章共同通讯作者)。随后,颉伟研究组还于9月16日在《分子细胞》杂志(Molecular Cell)发表研究论文《组蛋白修饰重编程重塑表观记忆》(Resetting Epigenetic Memory byReprogramming of Histone Modifications in Mammals)。


国内发表的三篇论文截图

此外非常值得一提的是,《Nature》同期还发布了第三篇类似于颉伟组和高绍荣组的文章,巧合的是颉伟老师博后期间的导师任兵教授是这篇文章的共同通讯作者,另外两位通讯作者是来自挪威奥斯陆大学的Arne Klungland和John Arne Dahl。和高绍荣组的论文一样,任冰和Arne Klungland、John Arne Dahl等的论文也发现了早期胚胎的基因组中启动子区的在基因组激活后存在大量“宽广的” (broad)H3K4me3修饰区域。此外,除了检测H3K4me3修饰的动态变化,还检测了H3K27ac修饰,相比之下,从卵细胞到2细胞期胚胎的发育过程中H3K27ac修饰在基因组的覆盖显着的增加。


任兵教授作为通讯作者之一的《Nature》文章截图

鉴于《Nature》同时在线发表了3篇类似的工作,同时在线发表的还有一篇评论《发育生物学:早期表观基因组的全景展望》(Developmental biology: Panoramic views of the early epigenome),作者是法国CNRS和德国亥姆霍兹研究所的Maria-ElenaTorres-Padilla和马普分子医学研究所的Juan Vaquerizas。评论指出,这三篇文章,加上6月份颉伟组在Nature发表的论文,共同展示了受精后及胚胎发育早期组蛋白修饰的变化细节,以及染色质开放程度对基因表达的调节,和表观遗传信息是怎样在亲代和子代之间传递的。



《Nature》配发的评论文章截图

今年6月,颉伟研究组刚刚在Nature发表过重磅长文(Article),利用少量细胞的进行ATAC-seq,研究了着床前胚胎染色质的开放状态,BioArt曾予以报道(清华颉伟组在《自然》长文报道哺乳动物着床前胚胎染色质动态调控图谱)。这次颉伟组的《Nature》论文题为《哺乳动物早期发育中组蛋白修饰H3K4me3的亲本特异重编程》(Allelic reprogramming of the histonemodification H3K4me3 in early mammalian development)。高绍荣实验室的《Nature》论文题为《植入前胚胎中H3K4me3和H3K27me3染色体区域的不同特征》(Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3chromatin domains in pre-implantation embryos)。加上颉伟组的《Molecular Cell》论文,这三篇论文首次从全基因组水平上揭示了小鼠从配子到植入前胚胎发育过程中组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me3遗传和重编程的模式和分子机制,颉伟组的Nature论文还首次报道了哺乳动物组蛋白修饰是否能从父代和母代分别遗传到子代,以及如何传递的模式。


今年6月,颉伟课题组在《Nature》发表长文(Article)的截图

受精之后,父源和母源的基因组要进行广泛的表观遗传重塑以适应胚胎发育的需要。组蛋白的转录后修饰直接调控了基因表达的激活和沉默。过去的研究,局限于使用抗体进行免疫荧光染色对组蛋白修饰在早期胚胎发育过程中的变化进行研究。虽然也看到了组蛋白修饰水平在整体上的变化,但是抗体染色的分辨率显然不能在基因组水平进行研究。能够达到基因组水平的方法是ChIP-seq技术,也就是利用特定组蛋白修饰的抗体进行染色体免疫共沉淀并结合二代测序。但是一般的ChIP-seq都需要百万的细胞数量,而植入前胚胎的细胞量很少,因此传统的ChIP-seq技术是不可能的。

比较这两篇论文我们可以看到,两个研究小组都开发了新的可以用极少量细胞进行ChIP-seq的新技术。他们都用基于MNase digestion的native ChIP取代需要交联的xChIP。颉伟组结合他们去年发表的一种新型的建库技术(TELP),开发出 STAR ChIP-seq。而高绍荣研究组利用并改进了Matthew Lorincz实验室2015年发表的适用于低起始量细胞的ULI-NchIP (ultra-low-input micrococcal nuclease-based native ChIP)

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