NatureGenetics：單細胞全基因組DNA甲基化組新發現

　　北京大學北京未來基因診斷高精尖創新中心，北大生命科學學院與第三醫院等處的研究人員發表了題為“Single-cell DNA Methylome Sequencing of Human Preimplantation Embryos”的文章，利用單細胞DNA甲基化組高通量測序方法，首次在單細胞分辨率對人類植入前胚胎發育過程進行了更加深入的分析，揭示了人類早期胚胎DNA去甲基化和從頭加甲基化的動態變化、父母本基因組差異甲基化等關鍵特征。

　　這一研究成果公布在Nature Genetics雜志上，文章的通訊作者為北京大學生命科學學院湯富酬研究員，北京大學第三醫院喬杰教授和閆麗盈研究員。

　　在哺乳動物基因組上，胞嘧啶（主要是CpG二連體中的胞嘧啶）在DNA甲基化酶的催化下會發生甲基化。研究顯示，DNA甲基化對多個生物學過程都至關重要，如基因表達抑制、轉座子轉錄活性調節、X染色體的失活，以及基因組印記的維持等。

　　北京大學湯富酬教授團隊與北醫三院喬杰教授團隊長期密切合作，一直著力于探索人類發育過程中表觀遺傳學修飾層面的變化。該團隊利用國際領先的微量細胞DNA甲基化組高通量測序技術，于2014年在國際上首次繪制了人類植入前胚胎發育過程中的DNA甲基化組圖譜(北京大學Nature發布重要甲基化景觀圖)，并進而于2015年首次繪制了人類原始生殖細胞的轉錄組和DNA甲基化組圖譜(北京大學發布Cell封面文章)，為深入理解人類早期胚胎發育過程中的兩輪DNA甲基化組重編程過程的主要特征提供了重要參考。

　　在這篇文章中，為了進一步在單細胞分辨率研究DNA甲基化重編程過程的動態特征，這一團隊利用單細胞全基因組DNA甲基化組高通量測序技術，對人類植入前胚胎發育的各個關鍵階段進行了單細胞、單堿基分辨率的系統研究，主要發現有：

　　（1）首次發現了人類植入前胚胎發育過程中存在大量特異性的DNA從頭加甲基化。此前研究顯示在著床前的早期胚胎發育過程中只有大規模的DNA去甲基化。而此次研究數據顯示，精子和卵細胞結合受精之后，在人類早期胚胎大規模DNA去甲基化的同時，也存在大量高度特異的DNA從頭加甲基化，這表明在人類早期胚胎第一輪DNA甲基化組重編程過程中，全局的DNA去甲基化‘凈結果’實際上是高度有序的大規模DNA去甲基化和局部DNA加甲基化兩種分子過程相互拮抗產生的動態平衡的結果。該研究同時發現，這些DNA從頭加甲基化起主導作用的區域主要集中在DNA重復序列區域，暗示DNA從頭加甲基化過程對抑制潛在的轉座子轉錄活性、維持基因組穩定具有重要的調控功能。

人類早期胚胎發育過程中兩次DNA從頭加甲基化區域的甲基化水平動態變化

　　（2）首次發現從二細胞胚胎階段開始父母本基因組上的剩余甲基化水平發生逆轉，在同一個單細胞中母本基因組上的剩余甲基化水平顯著高于父本基因組上的剩余甲基化水平。通過雜合SNP信息精準區分每個單細胞中父本和母本基因組DNA甲基化情況，該研究發現父本基因組去甲基化的速度遠比母本基因組快，胚胎發育到二細胞階段以后，父本基因組的DNA甲基化水平遠低于母本基因組的DNA甲基化水平，而且這一特征一直持續到著床后的胚胎階段。首次揭示了即使在第一輪DNA甲基化組重編程結束后，在著床后的胚胎以及胚外組織中父母源的DNA甲基化仍然是不對稱分布的，母本來源的DNA甲基化記憶要多于父本來源的DNA甲基化記憶，對早期胚胎發育的潛在影響可能更大。

父母本DNA甲基化程度動態變化

　　（3）首次發現DNA甲基化在早期胚胎卵裂過程中的不對稱分配可以用來追溯同一個胚胎中每個細胞的遺傳譜系。

　　此項研究工作首次實現了人類早期胚胎發育過程中DNA甲基化組重編程在單細胞分辨率和單堿基精度的深入研究，新的研究結果對于我們進一步理解DNA甲基化在早期胚胎發育過程中的動態、精準調控，父母本基因組甲基化差異，以及每個胚胎內部不同單細胞間DNA甲基化組的異質性都具有非常重要的意義。

通過DNA甲基化修飾的特點，追蹤人類早期胚胎四細胞階段的遺傳譜系