牛昱宇/季维智团队揭示克隆猴早期胚胎中调控印记基因的主要机制 | Cell Press对话科学家
生命科学
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近期，昆明理工大学牛昱宇、季维智课题组与哈佛医学院张毅课题组在Developmental Cell杂志上合作发表了题为 Analysis of developmental imprinting dynamics in primates using SNP-free methods to identify imprinting defects in cloned placenta 的研究论文。作者通过对孤雄、孤雌胚胎的转录组和表观组的研究，揭示了食蟹猴早期胚胎中调控印记基因的主要机制。作者通过开发不依赖于SNP，且高效精准的亲源印记调控区域的鉴定方法—TARSII和CARSII，揭示了灵长类早期胚胎与成体细胞，以及成体细胞与胎盘组织间基因印记的差异，并由此发现了克隆猴胎盘中的基因印记存在严重缺失。此外，该研究的一大亮点是开发了一种不依赖于SNP的生物信息方法来寻找印迹基因，突破以往常规方法需要近交系的存在（灵长类动物难以获得近交系）。
这项工作由昆明理工大学灵长类转化医学研究院和哈佛医学院共同合作完成。昆明理工大学博士研究生褚楚和哈佛医学院博士后研究员张文昊为本文的共同第一作者。昆明理工大学牛昱宇教授、季维智教授和哈佛医学院张毅教授、张文昊博士为该文的共同通讯作者。
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作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请牛昱宇教授代表作者团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
关于灵长类动物方面的基因组印记研究，要落后于小鼠，请问其中存在哪些研究的难点？
牛昱宇教授：
与近交系动物（例如小鼠）不同，远交系动物基因印记的工作要复杂的多也要困难得多。近交品系小鼠遗传背景清晰、单核苷酸多态性（SNP）数据量充足，要探究其印记基因（或区域）只需将具有显著SNP差异的小鼠品系进行杂交后，对杂交子代进行转录组或者DNA甲基化组分析，再结合两个品系的SNP数据便能清晰辨别印记基因，或者印记调控区域。
而对于灵长类动物而言，目前并没有近交品系，这就导致了其遗传背景复杂，亲源等位基因难以通过单个，或者少量个体杂交的方法区分开来。在这样的情况下，探究灵长类动物基因印记的工作就必须通过对大量数据进行整合分析才有可能实现。例如，2016年Andrew J. Sharp团队[1]，通过整合单性二倍体以及四千多个血液甲基组数据来鉴定基因印记；再如2018年Kari Stefansson和Simon N. Stacey团队[2]，通过整合了人类外周血的数百个甲基组数据和上万个转录组数据来鉴定基因印记。由上可知，若要利用上述类似的方法研究远交系动物特别是灵长类动物的基因印记，将花费巨大的实验材料和实验成本。
同样作为实验动物，相对啮齿类动物来说，灵长类动物更适于研究人类疾病和发育机制。然而灵长类动物具有资源少且成本高的特点，要对其开展基因印记的研究工作变的更为困难。
CellPress：
请您介绍一下SNP-free方法，TARSII和CARSII在研究种系差异甲基化区域（DMRs）方面的优势。
牛昱宇教授：
TARSII (tissue-associated reads-based, SNP-free method for identifying imprint-DMRs)和CARSII (CpG-island-associated, reads-based, SNP-free method for identifying imprint-DMRs) 是我们这项工作中开发的两个不依赖于SNP数据而基于多种或单一组织甲基化数据预测DMRs分析方法。
这两种方法有以下几个优点：
1）不依赖于单核苷酸多态性（SNP）的数据，可以广泛应用于远交系动物的亲源印记区域的鉴定；
2）无需大量的甲基化组数据，在TARSII方法中利用6种不同组织的甲基化组数据即可；CARSII的方法中，利用单个甲基化组也能够较为准确地预测基因印记区域；
3）TARSII对于种系印记区域的预测具有很高的准确度（>95%）。
CellPress：
请问DNA甲基化和H3K27me3在猴子胚胎中PEG基因标记方面发挥怎样的作用？
牛昱宇教授：
猴子早期胚胎中的PEG的表达主要受母源DNA甲基化而非H3K27me3的调控。在我们找到的371个PEG中有144个与早期胚胎的差异甲基化区域紧密相关，而只有7个基因的区域富集母源特异性H3K27me3的修饰。由此推测猴子早期胚胎中PEG表达主要受到DNA甲基化的调控。通过对不同时期胚胎进行H3K27me3免疫荧光染色，我们发现猴子中H3K27me3在合子基因启动后已被全面重建，这与人类早胚胎H3K27me3的修饰变化是一致的[3]。进一步说明H3K27me3在灵长类动物中并不是介导PEG表达的主要因素。与之不同的是，在小鼠早期胚胎里面，母源特异性H3K27me3参与调控约76个PEG的表达，是调控印记基因的主要修饰之一[4]。
CellPress：
请问胚胎PEG相关的DMRs的富集区域有何特点？
牛昱宇教授：
目前我们的工作并没有去具体研究与PEG相关的DMRs与其他区域的DMRs的差异。从理论上来讲，我们鉴定DMR的方法和标准是统一的，这些DMR在亲源性分布和甲基化水平上应该没有明显的差异。在着床后的发育中，大部分与PEG相关的DMRs会经历重编程，从而由亲源特异性的甲基化修饰转变为亲源一致性的甲基化修饰。
CellPress：
胎盘特异性种系DMRs在猴子的SCNT胎盘中有何特点，说明了什么？
牛昱宇教授：
SCNT猴子的胎盘中丢失了野生型胎盘特异的种系DMRs，这很有可能是造成克隆猴胎盘异常的主要原因。具体说来，我们首先发现灵长类动物的胚胎本体组织与胚外组织中的DMRs存在很大的区别，且来源于胚外组织的胎盘中保留了更多的母源印记。而核移植的供体细胞一般是来自于胚胎本体的体细胞，胎盘特异性的基因印记并不存在于这种体细胞中，且很难通过重编程被重新建立。这最终导致了克隆猴胎盘中缺失了绝大部分的胎盘特异性基因印记。这种基因印记的缺陷有可能是导致克隆猴出生率极为低下的重要原因之一。
CellPress：
本研究建立了新型的DMR鉴定方法，并揭示了克隆猴胚胎的印记缺陷，请问您下一步的工作重点是什么？
牛昱宇教授：
接下来我们将进一步重建或改善上述提及的克隆猴胎盘中的印记缺陷，从而提高克隆猴的发育率。
作者介绍
牛昱宇
教授
牛昱宇，男，教授，昆明理工大学生命科学与技术学院院长，省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室副主任。中国遗传学会基因组编辑分会委员，中国细胞生物学学会干细胞生物学分会委员，云南省干细胞学会副会长。主要从事生物医学研究，在基因编辑和干细胞研究领域取得多项具有国际影响力成果。已在Cell，Nature和Science等国际著名期刊发表SCI论文50余篇。
季维智
院士
季维智，男，1950年生，博士生导师，中国科学院院士。1978-1982年毕业于云南大学生物系；1983-2012年中科院昆明动物研究所研究员，其中1996-2005年任中科院昆明动物研究所第四任所长，2005-2008年任中科院昆明灵长类研究中心主任。现任昆明理工大学特聘教授，灵长类转化医学研究院院长，省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室主任、云南省灵长类生物医学动物重点实验室理事长。
季维智院士长期坚持灵长类生殖发育生物学的研究，围绕早期胚胎发育调控，干细胞多能性和人类疾病的猴模型及致病机理等科学问题，形成了从体外受精、胚胎早期发育、基因编辑以及干细胞等系统研究体系。率先在基因编辑灵长类动物模型取得重大突破，并获得了naïve猴多能性干细胞。实现了灵长类（人和猴）胚胎体外延长培养，解析了灵长类胚胎发育原肠发生与发育的重要事件。在胚胎发育和干细胞的基础理论、干细胞多能性和疾病研究都有重要意义。曾获“2015年中国细胞生物学会终身贡献奖”、“2019年何梁何利基金科学与技术进步奖生命科学奖”。季维智院士长期为国家生殖发育、干细胞专家组服务，为中国生殖与干细胞研究作出了突出贡献，也为中国灵长类研究的国际化并跻身于世界先进行列发挥了重要作用。在 Cell，Science，Nature，Cell Stem Cell，PNAS等杂志以通讯作者或第一作者发表 SCI 论文 100 余篇。其中，2014 年在 Cell 发表的基因编辑猴的论文被评价为人类疾病模型建立的里程碑性工作、入选 2014年世界十大科技进展（MIT Technology Review）、2014年Cell 最佳论文（Cell）、 2014年世界最成功的 8 大事件之一（Nature）。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Developmental Cell上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Analysis of developmental imprinting dynamics in primates using SNP-free methods to identify imprinting defects in cloned placenta
▌论文网址：
https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(21)00730-9
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.09.012
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参考文献
1. Joshi, R.S., et al., DNA methylation profiling of uniparental disomy subjects provides a map of parental epigenetic bias in the human genome. Am. J. Hum. Genet. 2016. 99, 555–566.
2. Zink, F., et al., Insights into imprinting from parent-of-origin phased methylomes and transcriptomes. Nat. Genet. 2018. 50, 1542–1552.
3. Xia, W., et al., Resetting histone modifications during human parental-to-zygotic transition. Science.2019. 365, 353–360.
4. Inoue, A., et al., Maternal H3K27me3 controls DNA methylation-independent imprinting. Nature.2017. 547, 419–424.
CellPress细胞出版社
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