原腸運動時期始發態多能性的獨特染色質狀態

　　 清華大學生命學院頡偉研究組在《自然-遺傳》期刊以長文形式報道了題為“表觀遺傳組學分析揭示了原腸運動時期始發態多能性的獨特染色質狀態”（Epigenomic analysis of gastrulation identifies a unique chromatin state for primed pluripotency）的研究論文。該研究通過多種高靈敏染色質表觀遺傳學分析手段，發現小鼠植入后胚胎中的始發態多能性（primed pluripotency）細胞具有獨特的染色質結構，包括發育調控關鍵基因的啟動子區域富集非常強的H3K4me3/H3K27me3修飾（super-bivalency）。這一重要發現不僅闡明了細胞命運決定過程中動態的染色質調控機制，還為體外系統更好的模擬植入后胚胎發育以及探索早期發育相關疾病提供了新的研究方向。

　　在胚胎植入子宮后，伴隨著原始態多能性（naive pluripotency）向始發態多能性的轉變，囊胚中的內細胞團（inner cell mass）分化為胚區的上胚層（epiblast）和胚外區的臟內胚層（visceral endoderm）。由上胚層細胞進一步通過原腸運動形成的外胚層（ectoderm）、中胚層（mesoderm）與內胚層（endoderm）則構成了器官發生以及個體形成所需要的細胞基礎。然而，由于譜系之間分離比較困難以及細胞數量稀少，人們對此過程中染色質調控機制仍然知之甚少。

　　在該研究中，研究人員首先在小鼠胚胎發育的6.5與7.5天分離了不同胚層，并利用頡偉課題組前期開發的STAR ChIP-seq、miniATAC-seq與sisHi-C技術，系統地檢測了組蛋白修飾（H3K4me3、H3K27me3、H3K27ac）、染色質開放性以及三維基因組高級結構的狀態。研究人員發現，E7.5天外胚層的增強子在E6.5天上胚層中已經提前開放，而中胚層與內胚層中的增強子則是重新建立的，支持外胚層是上胚層細胞分化的默認分化狀態的假說。

　　有趣的是，在具有始發態多能性的E6.5天上胚層中，研究人員發現H3K4me3與H3K27me3在一部分發育基因的啟動子及附近區域呈現非常強的雙價（bivalency）分布模式，研究人員定義這種狀態為super bivalency。Super bivalency能夠持續到外胚層，而在植入前早期胚胎、E5.5天上胚層、E7.5天中胚層、內胚層以及小腦、心臟等體細胞中均不能被檢測到。

　　此外，通過sisHi-C實驗，研究人員發現在E6.5天上胚層中被super bivalency標記的基因在三維空間中具有很強的互相作用。為了研究super bivalency是如何建立的，研究人員聚焦于KMT2B（又名MLL2、WBP7），一種負責特異性催化雙價基因啟動子區域H3K4me3的甲基轉移酶。前期研究表明，該催化酶在受精卵中的缺失會導致小鼠胚胎發育致死，而從E11.5天敲除卻并不影響胚胎發育。

　　研究人員發現，在受精卵時期敲除Kmt2b將會影響E6.5上胚層中雙價基因啟動子區域的H3K4me3建立。與此同時，super bivalency標記的基因的三維空間作用也伴隨下降。最后，super bivalency的缺失極大地影響了與部分發育核心調控基因的激活。

　　綜上所述，該研究在小鼠植入后胚胎發育過程中系統地研究了表觀遺傳組建立的分子機制，發現了始發態多能性中存在super bivalency這一獨特的染色質狀態，并進一步揭示了在細胞命運決定過程中super bivalency參與調控核心基因轉錄激活的重要功能。

　　頡偉教授為本文的通訊作者，清華大學生命科學聯合中心博士研究生向云龍與博士后張宇為本文共同第一作者。合作實驗室包括中國科學院動物研究所李磊研究組與美國密歇根大學的Sundeep Kalantry研究組。該課題得到了清華大學實驗動物中心，生物醫學測試中心基因測序平臺以及計算平臺的大力協助和支持。該研究獲得了北京市科學技術委員會生命科學前沿培育項目、國家自然科學基金委、北京市結構生物學高精尖創新中心、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、清華北大生命科學聯合中心以及美國霍華德休斯醫學研究所（HHMI)國際研究學者的經費支持。