《细胞—干细胞》：王继厂/王文军等揭示哺乳动物早期胚胎发育表观调控的种间差异机制

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中山大学中山医学院王继厂团队与孙逸仙纪念医院王文军团队合作，成功破译人类早期胚胎发育的表观调控“密码”，证实类人猿反转座子是导致人和小鼠早期胚胎发育的种间差异的主要因素之一。

北京时间2022年7月7日晚23时，Cell Stem Cell杂志发表了这一研究成果。

中山大学中山医学院博士生余汉文、硕士生陈漫琪、原副研究员胡远浪博士，以及孙逸仙纪念医院区颂邦博士、李瑞岐博士为论文共同第一作者；王继厂教授、王文军教授和李瑞岐博士为共同通讯作者。

卵子受精后，随着胚胎经历大规模的染色质重编程，生命萌芽之“密码”便逐步开启，胚胎依次经历了合子基因组激活、胚胎细胞谱系分离、胚层形成等一系列发育事件。哺乳动物的这些关键发育事件在某些层面体现出显著的种间差异，其与表观遗传调控的关系，目前尚不清楚。特别是人类，由于早期胚胎研究的伦理和实验手段限制，迄今人们对H3K9me3依赖性异染色质在人类早期胚胎发育过程中的重编程规律及其作用知之甚少。

在本研究中，作者首先借助于其开发的微量（50-100）细胞ChIP-seq技术（AULiChIP-seq），绘制出首张人类植入前胚胎的H3K9me3修饰动态“景观图”，发现H3K9me3的分布具有时空特性，即其一方面主要分布于基因间区域的反转座子上，另一方面，其在胚胎发育的特定时期富集于细胞命运决定和谱系发育等相关基因周围，从而抑制这些基因的转录。

众所周知，不同物种合子基因组大规模激活（major ZGA）的时间存在较大差别，例如，小鼠major ZGA发生在2细胞胚胎晚期，而人类的则发生在4-8细胞胚胎时期。迄今尚不清楚导致major ZGA种间差异的因素是什么。作者发现，在小鼠和人类major ZGA前，大量major ZGA基因的启动子和转录起始位点已经处于染色质开放的状态，但是只有小鼠major ZGA基因体上富集H3K9me3；在小鼠2细胞胚胎晚期，这些基因体上的H3K9me3发生重编程，随之ZGA基因大量表达，因此，这些富集于基因体的H3K9me3可能阻止小鼠major ZGA基因的提前激活。与小鼠相反，人类major ZGA基因体上并不富集H3K9me3等抑制性组蛋白修饰，但为什么人类major ZGA启动时间反而晚于小鼠呢？作者猜测这可能与增强子激活的时期有关。有趣的是，他们发现，直至人类8细胞胚胎时期，一些类人猿特有的反转录转座子（以下简称为类人猿反转座子）（如SVA）才发生大规模的H3K9me3重编程而成为活化的增强子，从而促进major ZGA基因的表达。因此，类人猿反转座子区域的H3K9me3重编程延迟，为人类major ZGA启动时间晚于小鼠提供了一种可能的机制。随后，作者通过表观基因组编辑系统，特异性地抑制SVA区域的H3K9me3重编程，证实了SVA等灵长类反转座子对人类major ZGA的重要调控功能。

出乎意料的是，在整个人类和小鼠植入前胚胎发育阶段，进化年龄最年轻且具有转座能力的LINE-1等反转座子却保持着H3K9me3和H3K27me3同时富集的状态（即H3K9/K27me3 bivalency），导致它们的转录活性被显著抑制，从而限制其在基因组上的“跳跃”。尽管反转座子上的这种抑制性组蛋白双价修饰具有一定的物种保守性，但是其存在的发育时期呈现多样性：在人类，H3K9/K27me3主要富集于4-8细胞胚胎的L1Hs和SVA等具有转座能力的类人猿反转座子上；在小鼠，H3K9/K27me3主要富集于囊胚的IAPEz-int和L1Md_Gf上。具有转座能力的反转座子是如何“抵抗”H3K9me3重编程的，值得今后进一步研究。

除了对major ZGA的重要调控作用，H3K9me3依赖性异染色质重塑对人类早期胚胎细胞的谱系分离也具有重要作用。通过整合多组学数据，作者对桑葚胚（Morula）向内细胞群（ICM）与滋养层细胞（TE）发育过程中H3K9me3的动态变化进行分析。结果显示，TE特异性获得的H3K9me3亦主要分布于类人猿反转座子（如LTR12C）上，其可阻碍多能性转录因子的结合，从而避免具有增强子活性的反转座子促进ICM特异性基因在TE中异位表达，说明类人猿反转座子区域的H3K9me3 domain可能在TE“身份”的形成与维持上发挥一定作用。这一发现将有助于揭示人类和小鼠滋养层谱系/胎盘发育的差异。

图文摘要：类人猿反转座子区域的H3K9me3依赖性异染色质重塑，促进人类早期胚胎发育

综上所述，该研究表明类人猿反转座子上H3K9me3依赖性异染色质的物种特异性重塑在人类早期胚胎发育中发挥着重要作用，揭示了物种特异性反转座子是哺乳动物早期胚胎发育过程中的转录调控网络进化的重要驱动力。

王继厂教授课题组聚焦于人-动物异种嵌合研究，目标是在大动物体内培育出功能性人体器官，从而解决移植器官短缺这一难题。经过4年的积累，课题组初具研究特色和优势，近期在Cell Stem Cell、Cell Reports等国际知名期刊发表多篇学术论文。

目前，课题组急需新的力量加入，以加快推进相关研究。欢迎感兴趣的志同道合者加入课题组（可申请岗位有助理教授、博士后和研究生）。联系方式：wangjch53@mail.sysu.edu.cn。