Cell丨小鼠胚胎细胞核发育的表观遗传机制

摘要：高阶基因组结构可以调节几乎所有DNA相关过程，包括特定序列的转录【1】和保护DNA免受损伤【2】。染色体可以通过远距离相互作用，形成A区和B区【3】以及拓扑相关结构域（topologically associating domains，TAD）【4-6】。A区

撰文丨我的闺蜜老红帽

高阶基因组结构可以调节几乎所有DNA相关过程，包括特定序列的转录【1】和保护DNA免受损伤【2】。染色体可以通过远距离相互作用，形成A区和B区【3】以及拓扑相关结构域（topologically associating domains，TAD）【4-6】。A区主要包括在s期早期复制的高染色质可及性的活性染色质区域。B区室包括异染色质区，复制较晚，并且大部分染色质可及性较低【7,8】。基因组也围绕核标记进行排列。其中，核纤层位于细胞核内层核膜下的纤维蛋白片层或纤维网络结构，核纤层相关结构域（lamina-associated domains ，LADs）主要指与核纤层相连的100 kb至10 Mb大基因组区域，是三维基因组组织的主要结构支柱。

LAD的显著特征包括高AT含量、低基因密度和整体抑制染色质。通常，LADs在s期复制较晚，对应于B区，而inter-LADs （iLADs）复制较早，对应于A区。 iLAD表现出较高的转录活性，并且转录单位在激活后可以从核纤层分离。在一些细胞类型中，LAD的边界是由H3K4me2和h3k27me3的急剧变化所划定的。在分化细胞和胚胎干细胞中，LADs富集于H3K9me2，抑制H3K9甲基转移酶EHMT2可减少LAD-细胞核-核纤层接触。然而，破坏细胞核-核纤层成分，包括层状蛋白，对LAD的影响不大，这也说明，LAD一旦建成，极具鲁棒性。

先前有工作指出，在卵母细胞和早期小鼠胚胎中使用LaminB1-DNA腺嘌呤甲基转移酶鉴定（DamID），确定在成熟卵母细胞的间期细胞核中检测不到LADs，但在受精后可以迅速检测到。二细胞期（2-cell stage）是指胚胎发育到两个细胞的时期，母源-合子转变（Maternal-to-Zygotic Transition,MZT）一般发生于这一时期，是早期胚胎发育过程中的一个关键事件，标志着胚胎发育逐渐由母体基因组主导过渡到胚胎基因组主导。在二细胞期中，LADs重塑往往发生于MZT之前。这种重塑发生在第一次有丝分裂之后，贯穿于第二个细胞周期，且与转录相关，因为二细胞期特异性的LADs也包含沉默基因。值得注意的是，小鼠受精卵中40%的基因组构成稳定的LADs，这些基因组区域是跨细胞类型的LADs，或者恒定iLAD。因此，尽管显著的LAD重塑发生在随后的发育阶段，但几乎一半的基因组在受精后立即获得了“长寿”定位。受精之后，去甲基化酶KDM5B影响父本染色质中LAD的建立，二细胞期，母体H3K27me3影响基因组核纤层相互作用的细胞间异质性。但是，具体表冠遗传机制仍不清楚。

近期，来自德国Helmholtz Munich的Maria-Elena Torres-Padilla研究组在Cell上发表题为The establishment of nuclear organization in mouse embryos is orchestrated by multiple epigenetic pathways的文章，通过小鼠胚胎体内筛选，探讨了受精后核组织的早期特征和发育机制。

为了确定体内LADs建立的决定因素，作者在小鼠胚胎中进行了筛选，重点关注参与各种核过程的蛋白质，包括组蛋白修饰因子、染色质锚定因子、细胞核包膜蛋白和肌动球蛋白调节因子等。作者使用功能增益或显性负向方法收集候选者。LADs的LaminB1-DamID图谱作为输出。这一阶段筛选出破坏和恢复细胞核结构的多种表型，表明多种因子参与了合子核结构的建立。为了进一步了解控制合子基因组组织的原理，作者分析了LaminB1-DamID评分在所有测试条件下的全基因组相关性，并发现干扰染色质通路，可以增加野生型A区的核纤层相关区域，表现出较强的RNA聚合酶II（RNA Pol II）占用和较高的染色质可及性。

接下来，作者寻找在MZT期间改变LAD重塑的因素，这发生在二细胞期晚期。作者发现，H3K4、H3K9和/或H3K27甲基化通路参与了二细胞期LAD边界的正确定位。H3K9、H3K27和H3K4甲基化之间的相互作用是MZT期间LAD重组和边界定位的主要决定因素。

为了进一步研究早期基因组形成过程，作者将重点放在最强表型池：组成型异染色质通路（池J）， H3K9me2/me3甲基转移酶（池N），以及H3K4me2和H3K9me2/K27me2去甲基化酶（池I）。并确定甲基转移酶对H3K9me2/me3的活性以及H3K9me2和/或H3K27me2的去甲基化，影响细胞核初始建立和二细胞期LAD的重组。LAD结构在发育过程中十分稳健，改变单个调节因子并不可能完全破坏核组织，而胚胎可以根据H3K9me3和H3K4me3结构域的位置信息对LADs进行重塑。

最后，作者探讨LADs的潜在发育相关性，并发现成功的合子基因组激活（zygotic genome activation，ZGA）与早期胚胎中正确的基因组-核纤层结构有关，但ZGA也可能与核组织的变化不耦合。

综上所述，作者证明了多种染色质途径参与建立LAD，并可以影响ZGA。作者的数据揭示了LAD对于早期发育进程是必不可少的，为染色质和细胞核结构组分之间的功能相互作用提供了新见解。

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