人類早期胚胎髮育過程中H3K9me3的重程式設計圖譜

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2022年第二十二期（總第106期）專欄文章，由中國科學院動物研究所副研究員 中國科學院青促會會員 譚生軍，就Cell Stem Cell中的論文發表述評。

從單細胞到多細胞生物，這是物種進化的一次重大突破，而受精過程也被認為是自然界最偉大的壯舉之一。多細胞生物不同細胞都來源於最初的那個受精卵細胞。在此過程中，表觀遺傳的重塑對細胞命運決定至關重要，其中必然需要一個精確的調控網路來發揮作用，逐步形成一個全能的胚胎。異染色質修飾H3K9me3是一種抑制性的組蛋白修飾，通常被認為是細胞間命運轉換的壁壘。在早期胚胎髮育過程中，H3K9me3修飾經歷大規模的重程式設計，介導了異染色質的重塑，從而完成後續的胚胎髮育和細胞分化。

轉座子元件廣泛存在於真核生物中，它們可自由跳轉到基因組新的位置，為物種進化提供原動力。但轉座子自由跳轉的特性也會造成基因組不穩定，威脅生命安全。基因組中大部分轉座子通常會被表觀遺傳所沉默，主要包括DNA甲基化和組蛋白H3K9me3修飾兩種方式。在人類和小鼠的合子基因組啟用過程中發生了DNA去甲基化，大量的轉座子，包括MERVL/HERVL型別的LTR逆轉座子被啟用，因此需要轉換至H3K9me3修飾來沉默這些LTR逆轉座子。然而，H3K9me3在人類早期胚胎髮育過程中是如何重新程式設計的仍不清楚。

針對這一問題，近日來自同濟大學的高紹榮教授團隊利用CUT＆RUN技術，首次在全基因組水平上描繪了人類植入前胚胎中H3K9me3重程式設計的高精度圖譜，揭示了依賴於H3K9me3的異染色質的逐步建立過程，並且多種調控因子參與了8-細胞和囊胚期特異的H3K9me3修飾，同時闡釋了H3K9me3修飾對人類早期胚胎髮育中逆轉座子沉默的重要機制，這將加深我們對組蛋白修飾和基因時空調控關係的理解。相關結果於2022年7月7日發表在Cell Press 旗下期刊Cell Stem Cell上。

在本研究中，作者首先檢測了人類植入前胚胎髮育過程卵母細胞、4-細胞、8-細胞、囊胚四個時期中，全基因組的組蛋白修飾資訊（圖1A-B）。H3K4me3和H3K27me3修飾主要集中在基因區間，只有H3K9me3修飾位於逆轉座子區域（圖1B-C），暗示了後者才是重要的調控因子。另外，與H3K4me3和H3K27me3修飾的劇烈變化不同，H3K9me3修飾在人類早期胚胎髮育中是逐步建立的過程（圖1D-E）。

▲圖1 人類早期胚胎組蛋白修飾的動態變化過程。

（A）人類植入前胚胎各個階段樣本提取。（B）UCSC Genome Browser快照顯示H3K4me3、H3K27me3和H3K9me3修飾訊號。（C）H3K9me3結構域在不同轉座子中的分佈。（D）三種組蛋白結構域在基因組上的佔比。（E）三種組蛋白修飾在不同時期的動態變化。

為了進一步研究H3K9me3修飾在此過程中如何重程式設計，作者將H3K9me3結構域分為四組，分別代表從卵母細胞到囊胚四個時期特異的修飾情況（圖2A）。總體而言，卵母細胞特異的H3K9me3結構域只佔很小一部分；4-細胞和8-細胞特異的H3K9me3結構域主要集中在LTR逆轉座子區域，但該修飾只是短暫地出現在這兩個時期，只有少量繼承到囊胚期；而囊胚特異的H3K9me3修飾出現在基因和遠端區域，代表了成熟的異染色質，將啟動譜系分化（圖2A-B）。作者也發現，在LTR逆轉座子區域，DNA甲基化與H3K9me3修飾呈負相關關係，即DNA甲基化逐步轉換至H3K9me3修飾來實現LTR逆轉座子的沉默（圖2C）。可以發現8-細胞期特異的H3K9me3修飾只是短暫地出現，那它對LTR逆轉座子的調控是否有那麼重要的影響呢？結合DNA甲基化和表達資料，作者發現這些修飾針對的主要是ERVL-MaLR和ERV1家族的LTR逆轉座子，它們在4-細胞期被啟用，有表達訊號，隨後在8-細胞期被上述H3K9me3修飾所沉默；而囊胚期特異的H3K9me3修飾針對的主要是ERV1和ERVK家族的LTR逆轉座子，它們則在4-細胞和8-細胞有活性，隨後在囊胚期被沉默（圖2D-E）。因此，不同時期特異的H3K9me3修飾能夠保證不同型別的LTR逆轉座子先後被沉默。

▲圖2 H3K9me3與DNA甲基化對人類早期胚胎LTR逆轉座子表達的組合調控。

（A）熱圖顯示H3K9me3與DNA甲基化在不同時期的動態變化。（B）UCSC Genome Browser快照顯示8-細胞、囊胚期特異的H3K9me3修飾。（C）啟動子和LTR逆轉座子區域的H3K9me3修飾和DNA甲基化水平的相關係數。（D-E）被8-細胞期（ESH）、囊胚期（BSH）特異的H3K9me3標記或未被H3K9me3標記的LTR逆轉座子數量分佈、H3K9me3修飾、DNA甲基化和表達水平。

隨後，作者想探究是哪些調控因素導致LTR逆轉座子被如此精確地沉默。藉助ChIP-seq資料，作者發現SETDB1、TRIM28和KRAB-ZNF是H3K9me3修飾介導LTR逆轉座子沉默的重要調控因子，它們的表達譜也主要分佈在8-細胞和囊胚時期，與H3K9me3修飾的時期特異性相符（圖3A-B）。進一步研究發現，TRIM28、SUMO2、KRAB-ZNF主要調控囊胚期的LTR逆轉座子沉默；DUX4、EOMES、CHD2負責8-細胞期的LTR逆轉座子（圖3C-D）；不同KRAB-ZNF家族成員對應不同LTR逆轉座子，導致它們在早期胚胎髮育不同時期的階段性沉默（圖3E）。在小鼠早期胚胎中敲除Dux或敲低Zfp51這兩種ZNF的實驗，也證實了它們確實參與調控了時期特異的H3K9me3修飾。

▲圖3 8-細胞和囊胚期特異的H3K9me3修飾LTR逆轉座子的調控因子。

（A）轉錄調控因子與H3K9me3標記或H3K9me3未標記的LTR逆轉座子重疊的比值比。（B）SETDB1、TRIM28、ZNF430、ZNF525、ZNF586、ZNF669、ZNF100、ZNF736在人類胚胎中的表達水平。（C）轉錄調控因子與ESH或BSH特異標記的LTR逆轉座子重疊的比值比。（D）DUXA、DUX4、CHD2、EOMES在人類胚胎中的表達水平。（E）熱圖展示在ESH和BSH特異標記的LTR逆轉座子中DUX4和ZNF的富集峰。

總而言之，這項研究利用CUT&RUN技術首次繪製了人類早期胚胎髮育過程中H3K9me3介導的異染色質重程式設計圖譜。H3K9me3修飾在此過程中逐步建立並加強，實現了對不同LTR逆轉座子的沉默。這一研究也首次揭示了LTR逆轉座子衍生的增強子被H3K9me3介導的異染色質所沉默可能早在合子階段就已開始，並且在人類和小鼠中高度保守。最後，這一研究揭示了人類合子基因組啟用和第一次譜系分化過程中獨特而保守的H3K9me3重程式設計過程，並解鎖了人類植入前胚胎髮育中異染色質重組的黑匣子。

有趣的是，Cell Stem Cell同日發表了另一項類似的研究。來自中山大學的王繼廠教授團隊利用AULiChIP-seq技術檢測了人類植入前胚胎髮育不同時期的H3K9me3修飾的動態變化。類似的，作者發現H3K9me3修飾顯著地富集在逆轉座子區域。不同的是，作者重點關注了一類人科特異的non-LTR型別的逆轉座子SVA。在這項研究中，作者探討了H3K9me3修飾在人類早期發育中發揮的兩個重要作用：一方面，在8-細胞時期，H3K9me3重程式設計幫助SVA衍生的增強子與某些相關基因在時空的相互作用，促進了合子基因組啟用；另一方面，H3K9me3修飾抑制了較為年輕、仍有活性的non-LTR逆轉座子（包括L1和SVA_D/F），保護了基因組完整性並調節發育基因的表達。這兩項工作使用不同技術，全面地描繪了H3K9me3修飾如何對不同LTR和non-LTR逆轉座子實現沉默，幫助我們綜合理解人類早期胚胎髮育的表觀遺傳調控網路是如何進化的這一重要科學問題。

論文摘要

異染色質修飾H3K9me3對細胞命運決定而言至關重要。然而，在人類早期胚胎髮育過程中，H3K9me3重程式設計是如何實現的並不清楚。在這項研究中，作者分析了人類卵母細胞和早期胚胎中全基因組水平的H3K9me3修飾情況，發現在8-細胞、囊胚時期，逆轉座子重複元件LTR上存在時期特異的H3K9me3修飾：8-細胞期特異的H3K9me3修飾是暫時性地出現，而囊胚期特異的H3K9me3修飾則更穩定地存在。經鑑定，DUX和多種KRAB-ZNF是構建8-細胞、囊胚期特異的H3K9me3修飾的潛在因子。有趣的是，在小鼠早期胚胎中敲除Dux或敲低Zfp51會削弱這種時期特異的H3K9me3修飾變化情況。此外，作者在人類囊胚中觀察到H3K4me3/H3K9me3和H3K4me3/H3K27me3二價染色質結構域，這為譜系分化提供了啟動條件。總體而言，這些資料揭示了在人類植入前胚胎髮育過程中，從DNA甲基化到H3K9me3的表觀遺傳轉換保證了對逆轉座子的精確調控。

H3K9me3， as a hallmark of heterochromatin， is important for cell fate specification。 However， it remains unknown how H3K9me3 is reprogrammed during human early embryo development。 Here， we profiled genome-wide H3K9me3 in human oocytes and early embryos and discovered stage-specific H3K9me3 deposition on long terminal repeats （LTRs） at the 8-cell and blastocyst stages。 We found that 8-cell specific H3K9me3 was temporarily established in enhancer-like regions， while blastocyst-specific H3K9me3 was more stable。 DUX and multiple KRAB-ZNFs were identified as potential factors for establishing 8C- and blastocyst-specific H3K9me3， respectively。 Intriguingly， our analysis showed that stage-specific H3K9me3 allocation was attenuated by either Dux knockout or Zfp51 knockdown in mouse early embryos。 Moreover， we observed the existence of H3K4me3/H3K9me3 and H3K4me3/H3K27me3 bivalent chromatin domains in human blastocysts， priming for lineage differentiation。 Together， our data unveil that the epigenetic switch from DNA methylation to H3K9me3 ensures the precise regulation of retrotransposons in human preimplantation embryos。

中文內容僅供參考，請以英文原文為準

述評人簡介

譚生軍

中國科學院動物研究所副研究員

中國科學院青促會會員

tanshengjun@ioz。ac。cn

譚生軍，中國科學院青促會會員，中國科學院動物研究所副研究員。主要研究方向：新基因的演化，新基因的產生機制，轉座子，進化基因組學和計算基因組學等。從事的研究發現了LTR轉座子和TIR轉座子介導基因重複的新機制，推動突變機制如何影響適應性進化過程；同時，利用進化學理論探索了轉座子的轉化應用，開發轉座子載體工具。目前在Nature Communications， Genome Research， Genetics等雜誌發表多篇論文。

Shengjun Tan is an associate professor in the Institute of Zoology， Chinese Academy of Sciences。 He has been the member of Youth Innovation Promotion Association， Chinese Academy of Sciences since 2018。 His research interests include the evolution of new genes， mechanisms to generate new genes， transposon， evolutionary genomics and computational genomics。 His studies have identified two novel mechanisms of LTR retrotransposon and TIR transposon-mediated gene duplication， and how these mutational mechanisms influence adaptive evolution。 He has also developed the transposon-based vectors to transfer genes using the evolutionary theory。 He has published several important papers in Nature Communications， Genome Research， Genetics and other journals。

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