郭帆研究组解析人植入前胚胎中DNA羟甲基化的起源，命运与功能

表观遗传调控对人早期胚胎发育至关重要，但该过程中表观基因组动态及其作用机理仍有待深入研究。DNA甲基化(5mC)是哺乳动物中重要的表观遗传修饰，在体细胞有丝分裂过程中可以被精确地传递至子细胞，并作为染色质...

　　

表观遗传调控对人早期胚胎发育至关重要，但该过程中表观基因组动态及其作用机理仍有待深入研究¹。DNA甲基化(5mC)是哺乳动物中重要的表观遗传修饰，在体细胞有丝分裂过程中可以被精确地传递至子细胞，并作为染色质结合蛋白和相关修饰因子的重要调控标记，影响组蛋白修饰、基因表达和染色质结构²。这种相对稳定的5mC基因组分布在局部区域受到TET双加氧酶的调控，使得5mC被TET家族蛋白(TET1/2/3)连续氧化，产生5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)，5-甲酰基胞嘧啶(5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC)^3-5。后两者会被胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)通过碱基切除修复(BER)途径识别和切除，从而诱导胚胎干细胞(ESCs)和体细胞中的DNA去甲基化³。虽然5hmC只占所有5mC的一小部分，但体细胞中5hmC的含量仍然比5fC和5caC丰富得多^4,6，这表明除了作为DNA去甲基化的中间物之外，5hmC可能还有其它未知的生物学功能。与体细胞不同的是，哺乳动物在受精后会经历基因组范围内的DNA甲基化重编程，这一过程在小鼠和人早期胚胎中十分保守。2023年郭帆研究组系统性地揭示了小鼠早期胚胎发育全时程的5hmC动态与分子调控，定量解析了Tet3和DNA复制在5hmC产生中的作用，结合小鼠遗传模型发现DNA复制和被动去甲基化途径对于5hmC的产生和基因组分布有着显著影响。除了参与DNA甲基化重编程，5hmC在小鼠早期胚胎中偏好性的富集于基因的增强子上，与基因转录调控联系紧密⁷。然而，5hmC在人早期胚胎中的动态与功能还未有研究报道，这一修饰在人-鼠间的保守性以及调控机制的异同仍不清楚，限制了我们对人胚胎发育起始阶段表观遗传机理的认识。

2024年7月30日，中国科学院动物研究所郭帆团队、安徽医科大学第一附属医院曹云霞/梁丹团队和上海交通大学医学院附属第一人民医院贺小进合作（安徽医科大学第一附属医院教授梁丹、副教授纪冬梅，中国科学院动物研究所博士生燕蕊、博士后龙鑫为本文共同第一作者），在Nature Cell Biology发表了题为Distinct dynamics of parental 5-hydroxymethylcytosine during human preimplantation development regulate early lineage gene expression的研究论文。研究者利用微量细胞5hmC全基因组解析方法结合胚胎成像、染色质免疫沉淀和相关功能实验，对人早期胚胎中5hmC的动态与功能作用进行了系统解析。研究者发现人卵细胞在生长过程中经历了从头DNA羟甲基化从而累积了显著水平的5hmC；受精后，母本基因组会继承卵细胞中的5hmC，而父本基因组中的5hmC则会部分“参照”母本基因组产生，这一模式区别于小鼠早期胚胎中5hmC的不对称性分布。人早期胚胎中的5hmC除了参与DNA甲基化擦除事件外，还与维持性DNA甲基化区域关联；以上结果说明人与小鼠早期胚胎中5hmC的起源与动态并不保守。人早期胚胎中部分5hmC修饰会维持至八细胞时期，并且富集在OTX2、TFAP2C和KLF4/5等转录因子的结合基序上。研究人员通过5hmC的耗竭或者异位产生实验以及人早期胚胎中OTX2的敲降实验，证明了5hmC-增强子-OTX2的互作对于人早期胚胎发育的调控作用。这些发现揭示了5hmC在人早期胚胎发育中的独特动态以及功能多面性，为理解人早期胚胎发育过程中的多能性建立、细胞谱系分化和转录-表观调控之间的关系奠定重要基础。郭帆、曹云霞、梁丹和贺小进为该研究论文的共同通讯作者，该研究工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部和中国科学院提供的多项项目资助。

人早期胚胎发育过程中5hmC的起源、命运与功能

文章连接：https://www.nature.com/articles/s41556-024-01475-y

参考文献

1. Wen,L. & Tang,F. Human Germline Cell Development: from the Perspective of Single-Cell Sequencing. Mol Cell 76,320-328 (2019).

2. Smith,Z.D. & Meissner,A. DNA methylation: roles in mammalian development. Nat Rev Genet 14,204-220 (2013).

3. He,Y.F. et al. Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA. Science 333,1303-1307 (2011).

4. Ito,S. et al. Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine. Science 333,1300-1303 (2011).

5. Tahiliani,M. et al. Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science 324,930-935 (2009).

6. Kriaucionis,S. & Heintz,N. The nuclear DNA base 5-hydroxymethylcytosine is present in Purkinje neurons and the brain. Science 324,929-930 (2009).

7. Yan,R. et al. Dynamics of DNA hydroxymethylation and methylation during mouse embryonic and germline development. Nat Genet 55,130-143 (2023).