同济大学最新Nature：国际首次发现植入前胚胎组蛋白修饰建立过程

为优化植入前胚胎质量提供可能

同济大学附属第一妇婴保健院首席科学家高绍荣研究团队采用最新研究技术，从全基因组水平上揭示了哺乳动物植入前胚胎发育过程中的组蛋白H3K4me3和HK27me3修饰建立过程，并发现宽的（broad）H3K4me3修饰在植入前胚胎发育过程中对基因表达发挥重要调控作用。这是国际上的首次重大发现。

　　

（同济大学附属第一妇婴保健院）

由同济大学附属第一妇婴保健院首席科学家高绍荣研究团队的相关科学新发现于2016年9月15日凌晨，在国际著名学术期刊《Nature》在线发表。该研究团队采用最新研究技术，从全基因组水平上揭示了哺乳动物植入前胚胎发育过程中的组蛋白H3K4me3和HK27me3修饰建立过程，并发现宽的（broad）H3K4me3修饰在植入前胚胎发育过程中对基因表达发挥重要调控作用。这是国际上的首次重大发现。

这一突破性成果，为优化植入前胚胎的质量提供可能，有助于提高辅助生殖技术的成功率，未来可有更多反复流产、胚胎停育、不孕不育患者获益。

哺乳动物的发育起始于精子和卵母细胞结合后的受精卵，早期胚胎在植入前发育过程中经历了剧烈的表观遗传修饰的变化并第一次出现细胞分化。如果在这一过程中组蛋白修饰出现异常就会导致胚胎发育异常，甚至植入前胚胎死亡。此项研究结果揭示了组蛋白修饰在早期胚胎发育的过程中起非常重要的作用。对其进行深入研究，为植入前胚胎发育以及早期细胞分化的表观遗传调控机制并最终提高辅助生殖成功率打开了一扇新的大门。

为了更好地、全面地了解组蛋白修饰变化，在本研究中，高绍荣研究团队利用并改进了最新发表的适用于低起始量细胞的新型技术。采用该技术利用极少量的细胞检测了小鼠植入前胚胎发育各个时期的组蛋白H3K4me3和H3K27me3修饰变化情况，这两个修饰分别对应基因的表达和沉默，这是目前已知的第一次系统地对哺乳动物植入前胚胎的组蛋白修饰进行全基因组水平上的检测。

他们通过分析发现这两组组蛋白修饰的建立规律明显不同：H3K4me3修饰的建立更迅速，而H3K27me3修饰的建立比较缓慢，并且两者倾向建立的启动子区域不同。重要的是，在早期胚胎发育过程中，宽的H3K4me3修饰作为一种可调节的表观遗传修饰精确调控了各个时期基因的表达，并且可能在更多的生理过程中发挥重要作用。

该研究第一次建立起了哺乳动物植入前胚胎发育过程中的组蛋白H3K4me3和H3K27me3修饰图谱，并发现了植入前胚胎发育特殊的表观遗传调控机制。将来在辅助生殖技术的运用中，在胚胎植入前，就可先筛查优劣，并有可能优化胚胎质量，从而提高辅助生殖胚胎植入后的成功率，造福更多渴望新生命的不孕家庭，为将来提高辅助生殖成功率提供基础研究和发展方向。临床转化之路虽然漫长，但是希望就在眼前。

高绍荣教授、高亚威副教授和张勇教授为该论文的共同通讯作者，同济大学附属第一妇婴保健院转化医学研究中心的刘晓雨、刘文强等四人为本文的并列第一作者。

附(论文摘要)：
组蛋白修饰H3K4me3 和 H3K27me3在早期胚胎发育过程中的特异性调控

在哺乳动物胚胎发育过程中组蛋白修饰对基因表达的调控起到关键作用。然而，材料获得的困难限制了植入前胚胎全基因组水平上组蛋白修饰的研究。在这项研究中，我们通过使用微量细胞的染色质免疫共沉淀测序 (ChIP–seq) 技术，获得了小鼠早期胚胎中组蛋白 H3K4me3 和 H3K27me3 修饰的全基因组图谱，这两个修饰分别对应了基因的激活和沉默。我们发现在受精后，特别是在启动子区域， H3K4me3修饰的重新建立比H3K27me3的建立要快得多，这与小鼠2-细胞阶段胚胎基因组激活相一致。此外，在植入前胚胎中 H3K4me3修饰和 H3K27me3修饰具有不同的序列偏好性和动力学特征。进一步研究发现，尽管H3K4me3的修饰一贯的发生在转录起始位点，H3K4me3 修饰的染色质宽度具有高度动态变化的特性。值得注意的是，不仅在植入前胚胎发育阶段，在从囊胚内细胞团和滋养层细胞衍生出的胚胎干细胞和滋养层干细胞中宽的H3K4me3的（大于5kb的）修饰都与较高的基因转录活性和细胞命运决定密切相关。相对于胚胎干细胞，我们发现在早期胚胎中二价（即同时具有H3K4me3和H3K27me3）修饰相对较少并且不稳定。总之，我们在基因组水平上首次揭示了植入前胚胎中H3K4me3和H3K27me3的修饰图谱，为进一步揭示早期胚胎中的表观遗传调控机制提供了重要理论基础。

原文摘要：

Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3 chromatin domains in pre-implantation embryos

Histone modifications have critical roles in regulating the expression of developmental genes during embryo development in mammals1, 2. However, genome-wide analyses of histone modifications in pre-implantation embryos have been impeded by the scarcity of the required materials. Here, by using a small-scale chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP–seq) method3, we map the genome-wide profiles of histone H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3) and histone H3 lysine 27 trimethylation (H3K27me3), which are associated with gene activation and repression4, 5, respectively, in mouse pre-implantation embryos. We find that the re-establishment of H3K4me3, especially on promoter regions, occurs much more rapidly than that of H3K27me3 following fertilization, which is consistent with the major wave of zygotic genome activation at the two-cell stage. Furthermore, H3K4me3 and H3K27me3 possess distinct features of sequence preference and dynamics in pre-implantation embryos. Although H3K4me3 modifications occur consistently at transcription start sites, the breadth of the H3K4me3 domain is a highly dynamic feature. Notably, the broad H3K4me3 domain (wider than 5 kb) is associated with higher transcription activity and cell identity not only in pre-implantation development but also in the process of deriving embryonic stem cells from the inner cell mass and trophoblast stem cells from the trophectoderm. Compared to embryonic stem cells, we found that the bivalency (that is, co-occurrence of H3K4me3 and H3K27me3) in early embryos is relatively infrequent and unstable. Taken together, our results provide a genome-wide map of H3K4me3 and H3K27me3 modifications in pre-implantation embryos, facilitating further exploration of the mechanism for epigenetic regulation in early embryos.