Cell Research：高绍荣/张勇/高亚威合作阐明小鼠受精过程中核小体排布建立模式

撰文│刘晓雨

编辑│毕紫娟 陈 莉

审校│汤红明

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2022年4月15日，我院干细胞基地再生医学研究所高绍荣教授、张勇教授、高亚威教授合作，在Cell Research杂志在线发表题为“Dynamic nucleosome organization after fertilization reveals regulatory factors for mouse zygotic genome activation”的文章。（）该研究建立了低起始量的微球菌核酸酶高通量测序（ULI-MNase-seq）技术，首次检测了小鼠受精后12h内雌雄原核连续时间点的核小体排布模式建立过程，探讨了影响核小体排布的潜在机制，并基于核小体建立模式的动态变化鉴定了影响合子基因组激活的潜在转录因子。

在哺乳动物发育过程中，DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传修饰，在父母源基因组经历了不同模式的重编程。一些亲本间差异的表观遗传修饰能够逃脱早期胚胎发育过程的重编程，其中最典型的是印记控制区域（Imprinting control regions, ICRs）。ICR在胚胎发育过程中发挥重要作用，其表观遗传修饰的异常会导致胚胎发育异常。目前在小鼠中仅发现21个ICR，识别新的亲本表观遗传特异的功能性区域面临如下挑战：依赖于品系间单核苷酸多态性（SNP）识别亲本间表观遗传异质性的识别方法分辨率低且假阳性率高，且难以预测特定基因组区域是否具有等位基因特异性的调控功能。

在该研究中，研究人员通过显微操作，分离获得了小鼠雌雄配子，以及受精后0.5~12h的9个连续时间点的雌雄原核，并对配子和雌雄原核的核小体排布情况，使用ULI-MNase-seq技术进行了全基因组的检测。研究人员同时开发了一套针对核小体数据的分析流程NEPTUNE，基于此流程，研究人员分析发现：受精后雄原核基因组上鱼精蛋白迅速替换为核小体，在1h左右基本完成替换；在核小体占有率建立完毕之后，雌雄原核的核小体定位信号均发生了逐步重塑，核小体缺失区域（Nucleosome depleted region，NDR）在启动子、增强子开始建立，雄原核的NDR建立比雌原核要更为迅速，并且ZGA相关的基因相比于其他基因的NDR建立更为明显。上述分析说明，核小体排布的建立具有雌雄差异，并很可能反应了早期雌雄原核基因转录活性的区别。

图1 小鼠雌雄原核受精过程中核小体排布模式迅速建立

图2 基于雌雄原核核小体定位动态变化鉴定Mlx及Rfx1为ZGA关键因子

研究人员进一步探索了影响早期核小体排布的因素，发现GC含量与核小体占有率（Nucleosome occupancy）的建立密切相关，GC含量高的区域倾向于在更早的时期建立核小体。进一步，研究人员发现抑制DNA复制及转录并不能对核小体占有率及排布模式产生显著影响，而使用HDAC抑制组蛋白乙酰化修饰可明显降低+1核小体及NDR的形成，暗示乙酰化修饰介导的早期染色质重塑复合物的结合可能对核小体排布的建立起到了重要调控作用。

转录因子通常需要结合在核小体缺失区域发挥作用，因此分析转录因子结合区域核小体排布的变化，极有可能反应转录因子在基因组上的结合情况。研究人员基于核小体排布信号，计算了122个早期表达的转录因子模体上NDR的变化情况，发现其中一类转录因子的NDR在受精过程中发生了从无到有的建立，暗示这些因子极有可能在早期结合到基因组，并可能参与了合子基因组的激活。研究人员敲降了其中两个转录因子Mlx及Rfx1，发现Mlx可调控合子时期ZGA的发生，而Rfx1可显著影响2-细胞时期的ZGA。

综上所述，该研究首次绘制了小鼠雌雄原核受精过程中核小体排布高分辨率图谱，发现了核小体排布的建立模式规律，并基于核小体排布模式的动态变化，鉴定了合子基因组激活过程中的关键转录因子。对人们理解表观遗传学修饰在代际之间的传递，及对胚胎发育过程中基因表达的调控作用提供了有力的支持。

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