精子来源的 H2AK119ub1在非洲爪蟾胚胎发育中的关键作用：解锁胚胎发育的表观遗传密码

为探究精子衍生的 H2AK119ub1对胚胎发育的贡献，研究人员以非洲爪蟾为模型开展相关研究。结果发现精子 H2AK119ub1可指导卵因子介导的父本染色质表观遗传重塑，对胚胎发育至关重要。该研究为理解代际间表观遗传信息传递提供了新视角。

　　

在生命的奇妙旅程中，胚胎发育一直是科学家们探索的核心领域。众多研究表明，精子在胚胎发育中起着重要作用，其携带的表观遗传信息可能影响着胚胎的成长。然而，目前仍缺乏直接检测精子修饰组蛋白在胚胎发育中作用的实验方法，这成为了该领域研究的一大阻碍。为了填补这一空白，来自法国南特大学（Nantes Université）、日本东京药科大学（Tokyo University of Pharmacy and Life Science）、美国哈佛医学院（Harvard Medical School）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在样本处理方面，收集非洲爪蟾的精子、卵子和胚胎等样本。运用染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）技术，分析精子基因组中 H2AK119ub¹等组蛋白修饰的分布情况；通过 RNA 测序（RNA-seq）技术，探究胚胎基因表达的变化。此外，还利用体外编辑实验，用 H2AK119ub¹去泛素化酶 USP21 处理精子，以研究其对胚胎发育的影响。

研究结果如下：

• H2AK119ub¹在精子和早期胚胎中的存在：研究发现，在非洲爪蟾精子发生和早期胚胎发育过程中，H2AK119ub¹均存在。精子发生时，尽管 H2A 部分丢失，但 H2AK119ub¹仍维持一定水平；早期胚胎发育时，在合子基因组激活（ZGA）前后及原肠胚形成、神经胚形成阶段，H2AK119ub¹也可被检测到，这表明其具备从精子向胚胎传递表观遗传信息的潜力。
• H2AK119ub¹与精子基因调控区域的关联：通过 H2AK119ub¹的染色质免疫沉淀实验（ChIP），研究人员发现 H2AK119ub¹在部分精子基因的转录起始位点（TSS）附近积累，且与发育相关基因有关。同时，H2AK119ub¹在精子基因组的远端区域也有积累，并且与精子基因调控元件（启动子和增强子）显著相关。此外，H2AK119ub¹与 H3K4me³、H3K27me³等修饰存在一定关联，在部分基因组位点存在共富集现象。
• 精子 H2AK119ub¹受卵因子重塑：利用间期卵提取物模拟受精后精子染色质的重塑过程，研究发现精子暴露于卵因子后，H2AK119ub¹发生了显著的重新分布。大量基因组位置在精子染色质复制后获得 H2AK119ub¹，且大部分复制诱导的 H2AK119ub¹重新分布发生在基因间区域，而稳定的 H2AK119ub¹峰大多位于启动子上。
• 精子 H2AK119ub¹影响卵因子介导的染色质重塑：用 USP21 处理精子以去除 H2AK119ub¹后发现，卵因子介导的 H2AK119ub¹在父本染色质上的沉积减少，同时出现了新的 H2AK119ub¹峰，且其积累位置从 CpG 岛转移到了重复元件。这表明母源因子介导的精子 H2AK119ub¹重新分布受父本染色质中预先存在的 H2AK119ub¹的指导。
• 精子 H2AK119ub¹缺失改变胚胎基因表达：利用父源胚胎研究发现，用 USP21 处理精子会降低胚胎的发育潜力，导致胚胎基因表达失调，其中多数基因上调。转录组分析表明，这些受影响的基因与细胞周期过程相关，且多为母源 - 合子基因（MZ 基因）。
• 受调控异常的基因是精子中 H2AK119ub¹/H3K4me³的靶点：研究发现，对精子 USP21 处理敏感的基因与 H2AK119ub¹存在关联，尤其是双价 H2AK119ub¹/H3K4me³染色质状态的基因。精子复制后，USP21 敏感基因的 H2AK119ub¹和 H3K4me³信号在 TSS 附近高于整体基因，且精子 H2AK119ub¹编辑会导致这些基因在复制后与 H2AK119ub¹的结合减少。

研究结论表明，精子来源的 H2AK119ub¹对胚胎发育至关重要，它指导着卵因子介导的父本染色质表观遗传重塑，影响胚胎基因表达和发育能力。该研究揭示了精子表观基因组在胚胎发育中的重要作用，为理解代际间表观遗传信息传递提供了关键线索，有助于进一步探究胚胎发育的分子机制，为相关疾病的研究和治疗提供新的思路。在讨论部分，研究人员指出，虽然发现了精子 H2AK119ub¹的重要作用，但目前对于非洲爪蟾胚胎发育前期 H2AK119ub¹的基因组分布情况仍知之甚少，未来还需更多研究来深入了解其在胚胎发育过程中的详细机制。