脊椎动物原肠胚形成过程中表现基因组的空间模式化：连接染色质梯度与胚胎轴向特化的新机制

《Nature Communications》：Spatial patterning of the epigenome during vertebrate gastrulation

本研究针对胚胎模式形成中位置信息如何被细胞记录这一核心问题，通过空间分辨基因组学分析，揭示了脊椎动物原肠胚形成过程中表现基因组沿胚胎轴线呈现梯度式空间组织。研究发现染色质可及性和活性梯度在发育基因位点建立，可作为细胞位置推断依据，并受WNT等信号通路调控，为理解胚胎图式形成提供了表观遗传新视角。

　　

在发育生物学的核心领域，一个经久不衰的谜题是：胚胎细胞如何在发育早期"感知"自身在胚胎中的位置，并据此决定分化命运？半个多世纪前，Lewis Wolpert提出的"位置信息"理论为理解这一过程提供了框架，认为形态发生素梯度为细胞提供了空间坐标。然而，这些短暂的信号梯度如何转化为稳定、精确的基因表达模式，始终是未解之谜。

近年来，科学家们逐渐意识到表观遗传调控可能在这一过程中扮演关键角色。正如Wolpert早年预测，位置信息的建立可能需要基因组空间反应坐标系的参与。但由于技术限制，我们一直难以在早期胚胎中直接观察染色质景观的空间组织。现在，这项发表在《Nature Communications》上的研究终于揭开了这一神秘面纱。

研究团队利用禽类胚胎体积大、易操作的优势，开发了空间分辨基因组分析方法，首次揭示了脊椎动物原肠胚形成过程中表现基因组沿胚胎轴线的梯度式空间模式。这项突破性发现不仅证实了Wolpert的远见，更为理解胚胎图式形成的分子机制提供了全新视角。

关键技术方法包括：对鸡胚进行冷冻切片结合空间转录组测序(Tomo-seq)重建基因表达模式；沿胚胎轴线切片进行ATAC-seq和CUT&RUN分析染色质可及性和组蛋白修饰；单细胞多组学测序(10X Genomics平台)同时分析染色质可及性和基因表达；通过WNT信号激动剂(CHIR99021)和拮抗剂(XAV939)处理探讨信号通路对染色质模式的调控。

重建早期禽类胚胎基因表达模式

研究团队首先通过Tomo-seq技术，在鸡胚原肠胚形成末期(HH5阶段)沿前后轴(AP)和中外侧轴(ML)进行冷冻切片，获得100微米组织切片进行3' RNA测序。这种空间转录组分析成功重建了胚胎中基因表达的双维模式，准确再现了OTX2、CHRD等已知轴向限制基因的表达域。差异表达分析识别出706个前部富集基因和294个后部富集基因，分别与神经发生、头部发育以及间充质组织形成等生物学过程相关。

轴向特化过程中表现基因组的空间模式化

通过沿AP轴七等分胚胎进行ATAC-seq分析，研究发现了染色质可及性沿胚胎轴线呈梯度分布的特征。这些被称为区域顺式调控元件(rCREs)的基因组区域在发育基因位点尤为丰富，其可及性形成典型的梯度模式而非简单再现转录域。研究人员鉴定出10,913个前部rCREs和12,532个后部rCREs，分别富集OTX2、GSC等前部因子和HOX、CDX2等后部因子的结合 motif。重要的是，H3K27AC修饰在rCREs中也呈现相似的梯度分布，表明这些区域不仅开放且具有极化激活特征。

信号通路塑造区域CRE梯度

通过分析原肠胚形成不同阶段的H3K27AC修饰，研究发现rCRE梯度在原肠作用开始(HH3阶段)时变得明显，且先于区域化转录建立。进一步实验表明，WNT信号通路在这一过程中起关键作用：LEF1/CTNNB1(β-连环蛋白)结合主要富集于后部rCREs，并呈现前向后梯度；WNT信号 manipulation实验证实，后部化信号可增强后部rCREs的可及性，同时抑制前部位点。这些WNT响应元件在胚胎中确实表现出轴向极化分布。

染色质梯度实现细胞位置推断

单细胞多组学分析表明，rCRE特征可用于推断细胞沿AP轴的位置。通过二次规划方法计算细胞与前/后rCRE特征的相似性，研究成功基于染色质可及性对细胞进行排序，排序结果与转录组数据揭示的基因表达模式高度一致。值得注意的是，这种位置推断不仅在整体胚胎水平有效，在单个胚层内部也同样适用。神经外胚层细胞排序准确再现了前脑、中脑和后脑标志物的预期表达模式，提示存在独立于细胞类型的AP图式调控代码。

rCRE特征在脊椎动物间的保守性

研究还发现，禽类rCRE特征在小鼠胚胎中具有相当程度的保守性。利用lift-over识别的小鼠同源rCREs对E7.5小鼠胚胎细胞进行排序，成功重建了OTX2、TBXT等轴向基因的表达模式，表明区域染色质组织机制在羊膜动物中可能具有普遍性。

研究结论与讨论部分强调，这项工作扩展了传统的形态发生素梯度理论，首次揭示胚胎细胞染色质景观具有空间组织特性。原肠胚形成过程中出现的染色质可及性梯度，通过特化的顺式调控元件捕获位置信息，为理解细胞如何记录和解释空间线索提供了表观遗传机制解释。

尤为重要的是，研究发现染色质模式化受WNT等信号通路动态调控，使细胞在经历复杂迁移运动时仍能适应变化的信号环境。同时，前部和后部染色质状态在原肠作用开始时同步出现，挑战了神经系统先形成前部"默认"状态再后部化的传统观点，为早期轴向特化机制提供了新见解。

这项研究建立了信号通路活性与区域特异性基因表达程序之间的表观遗传桥梁，对理解胚胎发育基本规律具有重要意义，也为再生医学和发育疾病研究提供了新思路。随着技术进步，未来研究有望揭示三维基因表达模式如何由多重染色质状态协同调控产生，以及可及性阈值在特定胚胎背景中的建立和解读机制。