多组学大数据整合分析揭示早期胚胎发育过程中基因表达调控信息的变化规律

摘要 目的：探究哺乳动物早期胚胎发育过程中基因表达调控信息的变化规律。方法：收集小鼠早期胚胎发育各时期的RNA-seq,ATAC-seq,MethylC-Seq和H3K4me3 ChIP-seq数据进行整合分析,观察小鼠早期胚胎发育各时期转录因子表达量的变化,计算各时期基因表达量与转录因子结合位点数量及染色质可及性的相关性,筛选各时期表达量前10%的基因,统计其表达量和转录因子占比,并进行启动子可及性分析。根据前期报道的转录因子三节点调控网络,对早期胚胎各时期转录因子调控网络的富集模式进行分析。根据多组学数据分析结果,推测早期胚胎发育调控过程中转录因子和表观遗传修饰信息的共调控模型。结果：转录因子数量和调控关系变化以及染色质可及性、DNA甲基化修饰、组蛋白修饰等表观遗传修饰共同调控早期胚胎发育各时期的基因表达,这些因素在不同时期发挥不同程度的调控作用。结论：转录因子和表观遗传修饰在早期胚胎发育过程中动态调控基因表达。     

动物早期胚胎发育中染色质结构的继承和重编程

染色质开放性和染色质三维高级结构在基因表达和调控中发挥着非常重要的作用,广泛参与分化、发育、肿瘤发生等细胞生理过程,是表观遗传研究的热点领域之一。动物胚胎发育起始于终端分化的卵子受精形成全能性的受精卵。在精卵结合的过程中,染色质开放性和染色质三维高级结构发生了剧烈的变化,经历继承、重编程、重新建立的过程,并指导调控受精卵分化发育最终成为多细胞、多器官组织的新生命个体。本文介绍了近年来研究染色质开放性和染色质三维高级结构的实验分析技术手段,染色质结构在动物早期胚胎发育过程中的变化规律及其在早期胚胎发育中的作用,染色质结构与其他表观遗传信息(甲基化、组蛋白修饰等)关系方面的重要研究进展和存在的科学问题,以期为表观遗传调控早期胚胎发育的研究提供参考。     

组蛋白甲基化修饰酶与早期胚胎发育

早期胚胎发育是胚胎发育中细胞分裂与分化最为活跃的时期,也是合子型基因大规模转录的时期,而此时组蛋白的甲基化修饰也显示出动态学的变化。这一时期,在细胞内外信号的共同调控下,经历着一系列基因的激活与抑制,许多调控机制参与其中的调控。而近年来的研究表示,表观遗传学调控显示越来越重要的作用。组蛋白甲基化修饰是表观遗传学重要调控机制之一,在胚胎的早期发育过程中扮演着重要的角色。就近年来组蛋白甲基化修饰酶在早期胚胎发育过程中的作用与功能做一简要综述。     

组蛋白修饰对胚胎干细胞分化过程[]的调控机制

选用人类胚胎干细胞系和由人类胚胎干细胞系分化来的神经干细胞系为研究对象,分析组蛋白修饰对胚胎干细胞分化过程的调控作用。得到了两种细胞系差异表达基因转录起始位点侧翼区域内八种组蛋白修饰的分布模式,以及组蛋白修饰功能簇。研究表明在两类细胞系中,八种组蛋白修饰谱分布模式一致,且呈现两种分布类型; H3K27ac,H3K4me3和H3K9ac组成的功能簇是保守的;H3K27me3,H3K36me3和H3K79me1组成的功能簇以及H3K9me3和H3K27me3组成的功能簇在胚胎干细胞向神经干细胞分化的过程中消失。结果揭示了组蛋白修饰对胚胎干细胞系向神经干细胞系分化过程的部分调控机制,为该分化过程分子调控机制的研究提供部分重要的理论基础。     

蒺藜苜蓿离体再生过程中MtSERK1的组蛋白修饰状态分析

表观遗传修饰尤其是组蛋白修饰在维持植物基因组稳定、调控基因表达、促进离体再生等方面发挥了重要作用。MtSERK1基因是蒺藜苜蓿离体再生过程中胚性愈伤组织建立的重要标记基因。为了解该过程中组蛋白修饰与MtSERK1表达的动态调控关系,通过实时定量PCR方法分析了MtSERK1的表达变化并利用染色质免疫沉淀(ChIP)技术分析了其启动子区和不同基因结构区H3K9me2、H3K4me3和H3K9ac修饰状态。发现MtSERK1在蒺藜苜蓿离体再生过程中的表达激活与其5′末端和3′末端区的组蛋白H3K4me3和H3K9ac修饰的动态变化相关。该研究将为深入了解MtSERK1参与蒺藜苜蓿离体再生的表达调控机制及其高效遗传转化体系的建立提供重要的理论指导。     

组蛋白甲基转移酶G9a在表观遗传调控中的作用

组蛋白赖氨酸甲基化在表观遗传调控中起着关键作用。组蛋白甲基转移酶G9a(又称作常染色质组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶2(euchromatic histone-lysine N-methyltransferase 2,EHMT2))含经典的SET结构域,是常染色质主要的甲基转移酶之一,可以甲基化组蛋白H3K9、H3K27和H1bK26等。此外,G9a也可以直接甲基化一些非组蛋白,并与DNA甲基化密切相关。G9a功能紊乱可以导致胚胎发育异常、免疫系统及神经系统发育障碍、甚至癌症的发生发展。     

精子表观遗传修饰及其在胚胎发育过程中的潜在作用

精子发生(Spermatogenesis) 是一高度复杂的过程, 包括有丝分裂、减数分裂和精子形成。精母细胞经过独特而广泛的染色质与表观遗传修饰重塑之后, 最终分化产生了具有特定表观遗传修饰的精子。最近研究表明, 成熟精子中的表观遗传修饰在发育的胚胎中发挥了重要作用, 其表观遗传模式的改变会导致某些疾病风险提高, 如受精失败、胚胎发生机能障碍、早产、出生体重低、先天畸形、新生儿死亡以及其他在辅助生殖技术后代中发现的发生频率较高的妊娠相关并发症。文章通过评价成熟精子中DNA甲基化、保留组蛋白修饰、RNAs和精蛋白等表观遗传修饰的重要意义及其在胚胎发育过程中的潜在作用, 阐述了成熟精子中改变的表观遗传修饰与相关疾病之间的关系, 为不育症的防治、精子表观遗传质量评价以及降低辅助生殖技术后代表观遗传疾病风险等提供基础资料。     

组蛋白H3K27me3对骨骼肌发育调控研究进展

组蛋白甲基化是发生在核小体核心组蛋白各亚基N-端肽链的一种修饰方式。在组成核小体的4种亚基中,H3亚基N-端肽链第4、9、27、36和79等位点的赖氨酸为甲基化热点,甲基化类型包括一、二、三甲基化(mono-, di-, tri-methylation)。H3K27me3是发生在组蛋白H3亚基第27位赖氨酸的三甲基化,主要发挥转录抑制的作用,参与骨骼肌的发育调控。研究表明,H3K27me3能够与骨骼肌增殖和分化的关键转录因子(如MyoD和MyoG等)及细胞周期蛋白特异性结合,并与其他表观遗传调控因子lncRNA及miRNA等互作,对骨骼肌的增殖和分化时间以及程度进行精细调控。本文系统介绍了组蛋白甲基化的类型以及H3K27甲基化和去甲基化的生物学过程,总结了目前已报道的H3K27me3在骨骼肌成肌细胞增殖和分化过程中发挥的作用,以期辅助科研工作者了解H3K27me3在骨骼肌发育过程中的作用,以及为进一步提高哺乳动物肌肉品质提供参考。     

Ash2l-1调控小鼠卵黄囊早期造血

作为甲基转移酶MLL/SET1复合体的核心成分之一,ASH2L能够促进组蛋白H3K4me3修饰的形成,并在小鼠早期胚胎发育过程中行使重要功能.在小鼠中,由于启动子的选择性使用,Ash2l会转录成两种不同长度的转录本并形成两种蛋白质亚型:ASH2L-1和ASH2L-2.目前有关该基因在小鼠胚胎发育中的作用机制及不同亚型的功能还不清楚.本文利用CRISPR/Cas9技术特异敲除Ash2l-1并研究该亚型的生理学功能.研究结果发现,当Ash2l-1缺失时,小鼠胚胎在E9.5~E10.5时发生致死.特别是Ash2l-1-/-E9.5胚胎的卵黄囊血管和早期造血发育存在明显缺陷.转录组测序结果显示,Ash2l-1的缺失影响红细胞发育和成熟、血管发生和形成相关基因的表达.H3K4me3的CUT&RUN结果显示,在一些表达下调关键基因的启动子区,H3K4me3修饰水平出现下降.以上结果表明,Ash2l-1在小鼠卵黄囊的早期造血和血管形成过程中是必不可少的,它可能是通过调控关键基因启动子区的H3K4me3修饰水平而控制这些基因的表达,从而在相关过程中行使功能.     

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D调控H9c2细胞中HIF-1α/VEGF通路（英文）

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D (histone-lysine N-methyltransferase 2D, KMT2D)作为主要的组蛋白3第4位赖氨酸(H3K4)甲基转移酶,在调控胚胎发育、组织分化、代谢和肿瘤抑制方面发挥重要作用。在小鼠体内,敲除Kmt2d会导致严重的心脏发育缺陷最终造成胚胎期死亡。低氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α)作为调节细胞应对低氧的关键转录因子,能够调控多种下游基因转录。有相关研究揭示,表观遗传调控者能够调节HIF-1α的稳定性和活性。同样,作为表观遗传调控者的组蛋白甲基转移酶KMT2D是否参与低氧条件下HIF-1α对下游基因的调控,目前仍未知。在本研究中,观察在Kmt2d正常或缺乏的情况下,心肌细胞H9c2对低氧环境的应答反应。结果显示,与常氧条件相比,低氧状态下HIF-1α、组蛋白乙酰化酶P300、KMT2D及其介导的H3K4一甲基化(H3K4 mono-methylation, H3K4me1)的蛋白质水平增加(P0.05);HIF-1α下游基因血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, Vegf)的mRNA表达水平明显上调(P0.01)。染色质免疫共沉淀实验(chromatin immunoprecipitation assay, ChIP-qPCR)检测结果显示,H3K4me1和组蛋白3第27位赖氨酸乙酰化(histone 3 lysine 27 acetylation, H3K27ac)在Vegf基因启动子区域的结合丰度明显增加(P0.05)。低氧条件下沉默Kmt2d之后,H3K4me1蛋白水平和Vegf的mRNA表达下降(P0.05)。本研究表明,低氧条件下KMT2D参与调控HIF-1α和下游基因Vegf的表达。     

植物组蛋白赖氨酸甲基化建立过程及其遗传性研究进展

表观遗传学主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA,组蛋白甲基化作为组蛋白修饰中的一种重要修饰,在植物体的发育和环境适应中发挥着重要作用。组蛋白甲基化主要发生在赖氨酸残基上,同时根据不同的赖氨酸位点和每个赖氨酸位点甲基化程度的不同,形成了不同的赖氨酸甲基化修饰。根据对基因的不同功能,通常将组蛋白赖氨酸甲基化修饰分为2大类:(1)能够促进基因表达的,如H3K4me3和H3K36me3;(2)能够抑制基因表达的,如H3K9me2和H3K27me3。不同的组蛋白赖氨酸甲基化去甲基化过程需要相应的阅读(reader)、书写(writer)和擦除(eraser)3种蛋白。同时,组蛋白赖氨酸甲基化的遗传性质目前还不是很清楚。综述了植物中组蛋白赖氨酸甲基化建立与去除过程,以及对组蛋白赖氨酸甲基化可遗传性的探讨。     

组蛋白乙酰化与卵母细胞及胚胎的体外发育

组蛋白乙酰化及去乙酰化是表观遗传修饰一个重要部分,其对哺乳动物卵母细胞成熟和胚胎发育具有重要的调节作用。因此深入研究组蛋白乙酰化的发生机制,对于改善卵母细胞和早期胚胎的发育具有重要意义。对哺乳动物卵母细胞及胚胎发育过程中的组蛋白乙酰化动态修饰进行综述。     

组蛋白去甲基酶UTX在发育和疾病中的作用

UTX(ubiquitously transcribed tetratricopeptide repeat,X chromosome)是抑制性组蛋白H3K27me3的特异性去甲基化酶,和甲基转移酶PRC2共同调控H3K27me3。此外,UTX也是组蛋白H3K4甲基转移酶MLL3/MLL4的组成部分。UTX参与胚胎发育、HOX基因的表达和重编程等生命过程。在歌舞伎综合征中,UTX突变是关键的致病因素。同时,UTX作为肿瘤抑制因子参与多种实体肿瘤和血液肿瘤的产生。该文总结了UTX在正常发育和疾病发生中的作用及近期研究的重大突破,并结合我们的研究探讨了UTX对体细胞重编程的影响。     

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D调控H9c2细胞中HIF-1α/VEGF通路

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D (histone-lysine N-methyltransferase 2D, KMT2D) 作为主要的组蛋白3第4位赖氨酸 (H3K4) 甲基转移酶,在调控胚胎发育、组织分化、代谢和肿瘤抑制方面发挥重要作用。在小鼠体内,敲除Kmt2d会导致严重的心脏发育缺陷最终造成胚胎期死亡。低氧诱导因子-1α (hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α) 作为调节细胞应对低氧的关键转录因子,能够调控多种下游基因转录。有相关研究揭示,表观遗传调控者能够调节HIF-1α的稳定性和活性。同样,作为表观遗传调控者的组蛋白甲基转移酶KMT2D是否参与低氧条件下HIF-1α对下游基因的调控,目前仍未知。在本研究中,观察在Kmt2d正常或缺乏的情况下,心肌细胞H9c2对低氧环境的应答反应。结果显示,与常氧条件相比,低氧状态下HIF-1α、组蛋白乙酰化酶P300、KMT2D及其介导的H3K4一甲基化 (H3K4 mono-methylation, H3K4me1)的蛋白质水平增加 (P<0.05);HIF-1α下游基因血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor, Vegf) 的mRNA表达水平明显上调 (P<0.01)。染色质免疫共沉淀实验 (chromatin immunoprecipitation assay, ChIP-qPCR) 检测结果显示,H3K4me1和组蛋白3第27位赖氨酸乙酰化 (histone 3 lysine 27 acetylation, H3K27ac) 在Vegf基因启动子区域的结合丰度明显增加 (P<0.05)。低氧条件下沉默Kmt2d之后,H3K4me1蛋白水平和Vegf的mRNA表达下降 (P<0.05)。本研究表明,低氧条件下KMT2D参与调控HIF-1α和下游基因Vegf的表达。     

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D调控H9c2细胞中HIF-1α/VEGF通路

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D (histone-lysine N-methyltransferase 2D, KMT2D) 作为主要的组蛋白3第4位赖氨酸 (H3K4) 甲基转移酶,在调控胚胎发育、组织分化、代谢和肿瘤抑制方面发挥重要作用。在小鼠体内,敲除Kmt2d会导致严重的心脏发育缺陷最终造成胚胎期死亡。低氧诱导因子-1α (hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α) 作为调节细胞应对低氧的关键转录因子,能够调控多种下游基因转录。有相关研究揭示,表观遗传调控者能够调节HIF-1α的稳定性和活性。同样,作为表观遗传调控者的组蛋白甲基转移酶KMT2D是否参与低氧条件下HIF-1α对下游基因的调控,目前仍未知。在本研究中,观察在Kmt2d正常或缺乏的情况下,心肌细胞H9c2对低氧环境的应答反应。结果显示,与常氧条件相比,低氧状态下HIF-1α、组蛋白乙酰化酶P300、KMT2D及其介导的H3K4一甲基化 (H3K4 mono-methylation, H3K4me1)的蛋白质水平增加 (P<0.05);HIF-1α下游基因血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor, Vegf) 的mRNA表达水平明显上调 (P<0.01)。染色质免疫共沉淀实验 (chromatin immunoprecipitation assay, ChIP-qPCR) 检测结果显示,H3K4me1和组蛋白3第27位赖氨酸乙酰化 (histone 3 lysine 27 acetylation, H3K27ac) 在Vegf基因启动子区域的结合丰度明显增加 (P<0.05)。低氧条件下沉默Kmt2d之后,H3K4me1蛋白水平和Vegf的mRNA表达下降 (P<0.05)。本研究表明,低氧条件下KMT2D参与调控HIF-1α和下游基因Vegf的表达。     

植物组蛋白赖氨酸化修饰参与基因表达调控的机理

组蛋白共价修饰作为表观遗传修饰的重要部分,主要包括乙酰化和甲酰化、甲基化、磷酸化、泛素化和SUMO化等,它们形成一个复杂的网络共同调控基因的表达,其中组蛋白甲基化修饰成为研究的热点,甲基化主要发生在赖氨酸残基上。近年来,随着有关植物组蛋白赖氨酸甲基化修饰研究的不断深入,发现其通过改变自身赖氨酸残基的甲基化状态和甲基化程度,形成转录激活或者转录抑制标记,调控基因的表达,在植物开花和逆境胁迫的响应过程中起着至关重要的作用。H3组蛋白的赖氨酸甲基化修饰能够调控FLC基因和有关抗性基因的表达,具体表现为:H3K4的三甲基化促进FLC的表达,H3K27的三甲基化则抑制FLC的表达;H3K4me3作为转录激活标记,可激活PtdIns5P基因的表达,启动响应干旱的脂质合成信号通路,响应干旱胁迫;相反,H3K27me3作为一种转录抑制标记,低水平的H3K27me3诱导COR15A和ATGOLS3基因表达,它们分别编码叶绿体低温保护蛋白Cor15am和肌醇半乳糖合成酶GOLS,以抵抗寒冷胁迫。文章主要综述了植物组蛋白赖氨酸甲基化修饰参与DNA甲基化、开花过程以及应答逆境胁迫的分子机制。     

8-氯腺苷诱导的组蛋白H3K79双甲基化促进NBS1和p21的基因转录激活

组蛋白H3第79位赖氨酸甲基化（H3K79me）修饰有单甲基、双甲基及三甲基3种形式,是常染色质的标志.然而,对于组蛋白H3K79三种甲基化各自在基因转录、DNA损伤修复中所起的作用尚不十分清楚.本研究以8-氯腺苷（8-Cl-Ado）为DNA双链断裂（DNA double-stranded breaks,DSB）诱导剂,采用Western 印迹,在人肺癌细胞H1299检测出了DNA修复分子NBS1、细胞周期检验点相关分子p21,并发现H3K79me1、H3K79me2和H3K79me3三种甲基化修饰的组蛋白明显增加;染色质免疫共沉淀结合实时定量PCR实验显示,只H3K79me2与DNA损伤检验点分子p21、DNA修复分子NBS1的启动子区域相结合,说明H3K79双甲基化修饰与这些基因的转录激活有关.结果提示,在8-氯腺苷引起 DSB时,是H3K79me2、而不是H3K79me1和H3K79me3参与NBS1和p21基因转录激活时的染色质重塑.8-氯腺苷诱导H3K79双甲基化增强、促进H3K79me2所在染色质区域的NBS1和p21基因转录激活可能是8-Cl-Ado抑制肿瘤细胞生长作用机制之一.     

组蛋白去甲基化酶KDM3B结构、功能及其相关疾病研究进展

表观遗传学是研究在DNA序列不变的前提下,其他机制异常引起基因表达改变并可遗传的学科。组蛋白甲基化/去甲基化修饰是表观遗传学的重要调控机制之一,是甲基化酶和去甲基化酶动态相互作用的结果,其中H3K9的甲基化和去甲基化是近年来研究最深入的组蛋白修饰之一。组蛋白去甲基化酶KDM3B包含一个JmjC结构域,并具有固有的H3K9去甲基化活性,能够特异性去除H3K9me1/2甲基化修饰,调控基因转录、DNA损伤修复,参与细胞增殖、细胞凋亡、干细胞干性维持、肿瘤和遗传病发生发展等。该文就组蛋白去甲基化酶KDM3B的结构、作用机制、生物学功能及其成为一个临床研究和治疗的潜在药理学靶点的可能性作一综述。     

哺乳动物胚胎发生发育与表观遗传修饰

哺乳动物受精过程中染色体构象发生剧烈的变化.来自精子高度凝缩的染色质在卵母细胞胞质环境中解凝缩,与雌性染色质融合,发生基因组重编程共同构建合子基因组,激活胚胎基因组转录,获得发育的全能性,并进一步发育成完整的胚胎.表观遗传调节机制在这一过程中起重要作用,其中主要包括DNA甲基化、组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化及组蛋白替代,这些修饰形式改变了染色体的空间构象以及与转录调节因子的结合模式,调控染色体的活性,进而调节胚胎的发生发育.     

组蛋白赖氨酸甲基化:转录调控的重要机制

组蛋白赖氨酸甲基化是表观遗传调控的重要机制之一。组蛋白H3的K4、K9、K27、K36、K79和H4的K20均可被特定的赖氨酸甲基转移酶甲基化。人类、果蝇、酿酒酵母和裂殖酵母中已鉴定出多种赖氨酸甲基转移酶,并作了生化和遗传学研究,以确定其潜在的生物功能。H3K4、H3K36和H3K79甲基化参与基因转录激活,而H3K9、H3K27和H4K20的甲基化则抑制基因转录。此外X染色体失活也与特定赖氨酸的甲基化相关。组蛋白各位点赖氨酸的甲基化参与生长、发育和病变。最后,文章评述了"组蛋白密码"假说,指出了目前的研究方向,并探讨了表观遗传机制与获得性遗传的关系。