【学术重磅】清华颉伟组和同济高绍荣组在《自然》发表“背靠背”论文，揭示早期胚胎发育的表观遗传图景
清华颉伟组和同济高绍荣组在《自然》发表“背靠背”论文，揭示早期胚胎发育的表观遗传图景——附哈佛大学张毅教授课题组陆发隆博士特别评论
文：贾小方、BioArt 点评：陆发隆（哈佛大学）
随着表观遗传学的生化方面的机制研究得日益透彻，其生物学意义也在不断扩展，在诸如干细胞、免疫、神经、疾病模型和肿瘤等领域也成为最热门的交叉领域。然而在早期胚胎发育方面，虽然人们对这一主题很感兴趣，但是受制于细胞数量极为有限而一直缺乏系统深入的研究。另外，表观遗传信息如组蛋白修饰是否能够真正在亲代与子代间遗传仍然知之甚少。
9月15日清华大学生命科学学院颉伟和医学院那洁研究组、同济大学高绍荣实验室分别在《自然》杂志（Nature）发表“背靠背”的研究论文（清华方面，颉伟研究员和那洁研究员为文章共同通讯作者；同济方面，高绍荣教授、高亚威副教授和张勇教授为文章共同通讯作者）。随后，颉伟研究组还于9月16日在《分子细胞》杂志（Molecular Cell）发表研究论文《组蛋白修饰重编程重塑表观记忆》（Resetting Epigenetic Memory byReprogramming of Histone Modifications in Mammals）。
国内发表的三篇论文截图
此外非常值得一提的是，《Nature》同期还发布了第三篇类似于颉伟组和高绍荣组的文章，巧合的是颉伟老师博后期间的导师任兵教授是这篇文章的共同通讯作者，另外两位通讯作者是来自挪威奥斯陆大学的Arne Klungland和John Arne Dahl。和高绍荣组的论文一样，任冰和Arne Klungland、John Arne Dahl等的论文也发现了早期胚胎的基因组中启动子区的在基因组激活后存在大量“宽广的” (broad)H3K4me3修饰区域。此外，除了检测H3K4me3修饰的动态变化，还检测了H3K27ac修饰，相比之下，从卵细胞到2细胞期胚胎的发育过程中H3K27ac修饰在基因组的覆盖显著的增加。
任兵教授作为通讯作者之一的《Nature》文章截图
鉴于《Nature》同时在线发表了3篇类似的工作，同时在线发表的还有一篇评论《发育生物学：早期表观基因组的全景展望》（Developmental biology: Panoramic views of the early epigenome），作者是法国CNRS和德国亥姆霍兹研究所的Maria-ElenaTorres-Padilla和马普分子医学研究所的Juan Vaquerizas。评论指出，这三篇文章，加上6月份颉伟组在Nature发表的论文，共同展示了受精后及胚胎发育早期组蛋白修饰的变化细节，以及染色质开放程度对基因表达的调节，和表观遗传信息是怎样在亲代和子代之间传递的。
《Nature》配发的评论文章截图
今年6月，颉伟研究组刚刚在Nature发表过重磅长文（Article），利用少量细胞的进行ATAC-seq，研究了着床前胚胎染色质的开放状态，BioArt曾予以报道（清华颉伟组在《自然》长文报道哺乳动物着床前胚胎染色质动态调控图谱）。这次颉伟组的《Nature》论文题为《哺乳动物早期发育中组蛋白修饰H3K4me3的亲本特异重编程》（Allelic reprogramming of the histonemodification H3K4me3 in early mammalian development）。高绍荣实验室的《Nature》论文题为《植入前胚胎中H3K4me3和H3K27me3染色体区域的不同特征》（Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3chromatin domains in pre-implantation embryos）。加上颉伟组的《Molecular Cell》论文，这三篇论文首次从全基因组水平上揭示了小鼠从配子到植入前胚胎发育过程中组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me3遗传和重编程的模式和分子机制，颉伟组的Nature论文还首次报道了哺乳动物组蛋白修饰是否能从父代和母代分别遗传到子代，以及如何传递的模式。
今年6月，颉伟课题组在《Nature》发表长文（Article）的截图
受精之后，父源和母源的基因组要进行广泛的表观遗传重塑以适应胚胎发育的需要。组蛋白的转录后修饰直接调控了基因表达的激活和沉默。过去的研究，局限于使用抗体进行免疫荧光染色对组蛋白修饰在早期胚胎发育过程中的变化进行研究。虽然也看到了组蛋白修饰水平在整体上的变化，但是抗体染色的分辨率显然不能在基因组水平进行研究。能够达到基因组水平的方法是ChIP-seq技术，也就是利用特定组蛋白修饰的抗体进行染色体免疫共沉淀并结合二代测序。但是一般的ChIP－seq都需要百万的细胞数量，而植入前胚胎的细胞量很少，因此传统的ChIP-seq技术是不可能的。
比较这两篇论文我们可以看到，两个研究小组都开发了新的可以用极少量细胞进行ChIP-seq的新技术。他们都用基于MNase digestion的native ChIP取代需要交联的xChIP。颉伟组结合他们去年发表的一种新型的建库技术(TELP)，开发出 STAR ChIP-seq。而高绍荣研究组利用并改进了Matthew Lorincz实验室2015年发表的适用于低起始量细胞的ULI-NchIP （ultra-low-input micrococcal nuclease-based native ChIP）技术，检测了小鼠植入前胚胎发育各个时期的组蛋白H3K4me3和H3K27me3修饰变化情况，发现两种修饰的建立规律明显不同。
高绍荣组Nature论文中ULI-NchIP 技术运用模式图
高绍荣组和颉伟组在Nature的工作很有互补性。高绍荣组研究重点在基因组激活后（2细胞后）启动子区的H3K4me3 (promoter H3K4me3)，而颉伟组研究主要关注了基因组激活前（2细胞前）非启动子区H3K4me3 (non-promoter H3K4me3)。高绍荣组发现在早期胚胎的基因组中启动子区的H3K4me3在基因组激活后（2细胞到blastocyst）存在大量“宽广的” (broad)（>5kb）H3K4me3修饰区域，这个在体细胞和细胞系中含量则很低。为了进一步研究H3K4me3的功能，高绍荣研究组使用在受精卵siRNA敲降技术，发现敲降Kdm5b会导致基因组上H3K4me3信号普遍的延长，以及胚胎发育的阻滞。高绍荣实验室的结果除了检测小鼠植入前胚胎发育各个时期组蛋白H3K4me3修饰（主要与基因表达激活相关）的变化，还检测了另一个重要的组蛋白修饰H3K27me3（主要与基因表达沉默相关）的变化。通过得到的数据分析，他们发现组蛋白H3K4me3和H3K27me3修饰的建立规律明显不同，H3K4me3修饰的建立更迅速，并且倾向于建立在CpG含量较高且DNA甲基化水平较低的启动子区域，而H3K27me3修饰的建立比较缓慢，并且倾向于建立在CpG含量较低的启动子区域。值得一提的是，高绍荣实验室有多名老师和学生参与了颉伟组小鼠原核（mouse pronuclei）部分的工作。
颉伟研究组的Nature论文侧重于研究组蛋白修饰H3K4me3从亲代到子代的遗传模式，尤其是精子和卵子来源 H3K4me3的动态变化。很有意思的是，颉伟组发现在不转录的卵子以及基因组激活前的1细胞，2细胞早期，H3K4me3呈现一种非经典形式(non-canonical H3K4me3)，并且大量出现在非启动子区(non-promoter region)比如基因间区(intergenic region)。通过在卵子中过表达去甲基化酶KDM5B来去除H3K4me3，研究人员惊奇的发现这种非经典的H3K4me3可能是对卵子的基因组沉默（而不是激活）是必需的。
H3K4me3从配子到子代的重编程过程（图片来自颉伟组Nature论文）
颉伟组在《Molecular Cell》的论文中研究了另一个关键组蛋白修饰H3K27me3 在亲代和子代间遗传和重编程的模式。这个工作发现精子和卵子中启动子区的H3K27me3受精后都被擦除，而卵子中一部分非启动子区的H3K27me3被保留了下来。由于H3K27me3是作为细胞命运记忆的关键表观遗传调控因子，这个工作提示很多（但非全部）父母双方的表观遗传记忆在早期胚胎发育过程中会被擦除。综上所述，以上两个研究工作首次阐述了组蛋白修饰是如何从亲代传递到子代的，并且证明早期胚胎具有非常独特的表观调控机制和模式。
颉伟组《Molecular cell》文章中描绘小鼠早期发育中H3K27me3的动态图景
这三篇论文综合起来，完整地勾勒出一幅从配子一直到囊胚时期的两种组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me动态变化的表观遗传学图景，为下一步研究植入前胚胎发育及早期细胞分化的表观遗传调控机制奠定了坚实的基础。这种背靠背的发表方式（同一期刊同时发表同一主题的多篇论文），既反映了这个领域的重要意义和因此带来的科学竞争的激烈程度，同时也有助于多个研究组的发现互相印证、补充，更深入揭示一个科学问题。特别值得一提是，两篇《Nature》文章都是在国内完成的，而且课题组之间保持着非常良好的合作关系。
值得指出的是，由于这种类型的课题都需要实验台上的实验（湿的实验，wet lab）和数据分析（干的实验，dry lab）的紧密配合才能完成，这两篇文章都是四个并列一作。这也反映了以后生物学课题的一种组织模式：需要多个研究者、实验和生物信息密切配合完成。
颉伟研究员出身于著名的Michael Grunstein（表观遗传领域的先驱之一，80年代证明组蛋白在细胞内能够调控基因转录）和任兵实验室（任兵发明了ChIP-on-chip，在表观遗传学高通量测序，近年在3D基因组领域做了很多精彩工作），2013年起到清华大学建立自己独立的实验室，从今年开始发力，连发两篇Nature。高绍荣教授在哺乳动物胚胎发育重编程领域做了很多重要工作，曾在NIBS（北京生命科学研究所）任PI，2012年起在同济大学建立实验室并任生科院院长，早已奠定了学术地位，这次的Nature工作又首次建立起了小鼠植入前胚胎发育过程中的组蛋白修饰图谱。
（致谢：特别感谢颉伟老师和高绍荣老师在该文撰写的过程中给予的宝贵意见和帮助！）
鉴于上述三篇国内重量级文章和国外一篇相似文章的同期发表，BioArt有幸请到了来自哈佛大学医学院张毅教授课题组陆发隆博士做特别评论，陆博士今年6月曾以第一作者身份在Cell发表过一篇关于早期胚胎发育过程中染色质结构动态变化的重量级文章，详见BioArt此前的报道【表观遗传学大牛张毅在Cell发表早期胚胎发育研究新成果】。陆博士点评如下：
祝BioArt的读者朋友们“中秋节快乐”（学术报道插播节日祝福，^_^。上述四字集自启功先生的书法）
为方便读者更多的了解高绍荣老师和颉伟老师的学术背景和成果，BioArt特别附上了《高绍荣老师简介》和《颉伟老师简介》。
高绍荣老师1970年出生于山东章丘的一个农民家庭，1993年本科毕业于山东农业大学动物科技学院，1996年在中国农业大学动科院获得硕士学位，硕士期间跟随中科院动物所陈大元教授从事生殖生物学方向研究（陈大元教授早年师从童第周教授，是我国著名的发育生物学家、生殖生物学家，还是我国体细胞克隆牛第一人）。后来高老师继续跟随陈先生做研究，并在其门下攻读博士学位。博士期间一次偶然的机会，高老师得到了出国交流的机会，赴美国布朗大学医学院做研究助理（1998-2000），在这期间（1999年）拿到中科院动物所博士学位。2000-2002年，高老师来到了英国苏格兰爱丁堡大学的罗斯林研究所（University of Edinburgh -The Roslin Institute，克隆羊“多利”的诞生地）做博后，导师正是大名鼎鼎的“克隆羊之父”伊恩·威尔穆特爵士（Sir Ian Wilmut ），主要从事小鼠核移植研究，期间发表了5篇文章。随后，2002-2004年期间，高老师又去了美国坦普尔大学菲尔斯癌症与分子生物学研究所做博士后研究。2004年，高老师开始在美国康涅狄格州大学再生生物学中心做助理教授，这期间他与指导的一名台湾学生在《Nature Genetics》发表研究论文。2005年12月9日，NIBS在中关村生命科学园正式挂牌， 高老师接受邀请来到NIBS成为最早入职的PI之一。此后在NIBS的八年，高老师陆续在Science、Cell Stem Cell，PNAS，Cell Research，Stem Cells等知名学术期刊上发表了多篇重要成果，特别值得一提的是，2009年高绍荣实验室和中科院动物所周琪实验室分别独立在《Cell Stem Cell》和《Nature》上报道了世界上第一只用iPS细胞克隆的小鼠，从而首次证明了iPS细胞的真正多能性，被美国《时代周刊》评为2009年世界十大医学突破之一，这项研究也获得了2014年度“国家自然科学奖二等奖”。2013年，应时任同济大学校长裴钢院士之邀，出任同济大学生命科学与技术学院院长至今。在此期间也发表了一些非常出色的工作，例如他们课题组发现DNA去甲基化酶TET1能够有效的代替OCT4将体细胞重编程为iPS，并且发现即使在c-MYC存在的情况下TET1也能够有效地降低iPS细胞的致瘤性（2013，Cell Stem Cell，封面文章）；另一项重要工作是他们课题组为了阐明细胞核移植和重编程之间的差异，最终发现，不同于核移植，iPS诱导重编程持续的代数远低于核移植重编程，而且表明核移植技术重编程有端粒和线粒体功能缺陷的供体细胞的能力比诱导型多能干细胞技术更强（2014，Cell Stem Cell，杭州师范大学衰老所鞠振宇教授为该文的共同通讯作者）。2016年，《Cell》杂志在iPS细胞研究十周年之际，发表了一篇题为“iPSCs: 10 Years and Counting”的文章，高绍荣教授受邀撰文。
高绍荣教授是国家杰出青年基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授，科技部中青年科技创新领军人才，入选2015国家百千万人才工程，“干细胞研究”国家重大科学研究计划专家组成员。还曾获得过“国家自然科学二等奖”，“周光召基金会杰出青年基础科学奖”，“谈家桢生命科学创新奖”等。
（注：以上图文部分素材取自同济大学官微。）
颉伟老师简介颉伟老师今年暑期在复旦大学授课（徐鹏摄）
颉伟，1981年出生，1999年成为甘肃省理科状元，2003年本科毕业于北京大学生物科学专业，2008年在美国加州大学洛杉矶分校完成生物分子学博士以及统计学硕士（双学位）学习，并于2009-2013年在美国Ludwig癌症研究所（UCSD）任兵教授实验室进行博士后研究。2013年入选中组部青年千人计划，并加入清华大学生命科学学院任研究员，同时入选清华－北大生命科学联合中心PI。2014年获得“求是杰出青年学者奖”。
颉伟同时应用实验生物学和计算生物学研究细胞命运决定中的表观遗传调控和人类疾病相关的表观遗传调控机理。前期工作包括研究表观遗传信息尤其是DNA甲基化是如何从父代传递到子代中，以及表观遗传调控在人体胚胎干细胞分化过程中的作用机制。颉伟发现在成熟体细胞中存在大量的非CG甲基化并存在亲本遗传的现象。另外，他们的研究发现在早期胚胎发育过程中一些重要转录因子和发育基因的启动子区域都保持着大范围的DNA甲基化空缺现象，从而把这种表观遗传标记命名为DNA甲基化谷（DNA methylation valleys，DMVs）。目前颉伟实验室的主要研究方向为：（1）干细胞分化过程中的组蛋白修饰和DNA甲基化介导的表观遗传调控（2）动物胚胎早期发育过程中的表观遗传调控（3）Cis-regulatory elements如启动子和增强子在细胞命运决定过程中的作用（4）表观遗传相关人类疾病的基因调控机理。
目前，颉伟老师以第一作者或者通讯作者身份在Cell、Science、Nature和Mol cell等高水平期刊上发表论文多篇，谷歌学术显示总引用数超过4500次。
代表性文章（一作或者通讯）：
Zheng,H.,Huang,B.,Zhang,B., …& Xie, W. (2016).ResettingEpigenetic Memory by Reprogramming of Histone Modifications in Mammals. Molecular cell
Zhang,B.,Zheng,H.,Huang,B.,…&Xie, W. (2016).Allelic reprogrammingof the histone modification H3K4me3 in early mammalian development. Nature
Wu, J., Huang,B., Chen, H., Yin, Q., Liu, Y., Xiang, Y., ... & Xie, W. (2016). The landscape of accessible chromatin in mammalianpreimplantation embryos. Nature, 534(7609), 652-657.
Xie, W., & Ren, B. (2013). Enhancingpluripotency and lineage specification. Science, 341(6143),
Xie, W., Schultz, M. D., Lister, R., Hou, Z.,Rajagopal, N., Ray, P., ... & Yang, H. (2013). Epigenomic analysis of multilineage differentiation of human embryonic stem cells. Cell,153(5)
Xie, W., Barr, C. L., Kim, A., Yue, F., Lee,A. Y., Eubanks, J., ... & Ren, B. (2012). Base-resolution analyses of sequence and parent-of-origin dependent DNA methylation in the mouse genome. Cell,148(4),
Xie, W., Song, C., Young, N. L., Sperling, A.S., Xu, F., Sridharan, R., ... & Grunstein, M. (2009). Histone h3 lysine 56acetylation is linked to the core transcriptional network in human embryonicstem cells. Molecular cell, 33(4)
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