刘江等共同描绘人类精子和胚胎染色体三维结构动态变化

  翠林       

2019年12月5日,中科院北京基因组所刘江团队再次与广州医科大学三附院陈子江团队合作在Nature上在线发表了题为Key role for CTCF inestablishing chromatin structure in human embryos的论文,对精子及人类早期胚胎发育过程中的染色体结构动态变化情况进行了描绘,发现论文CTCF蛋白对于早期胚胎发育中TAD结构的重要调控功能,为进一步揭示人类胚胎发育奥秘提供宝贵资源。


刘江等共同描绘人类精子和胚胎染色体三维结构动态变化


基因组的三维结构是由拓扑相关结构域(TAD,topologically associated domain)基本单元构成。最新的这项研究结果显示,在成熟的人类精子中没有TAD结构并且没有检测到染色质调节蛋白CTCF(下图),这与在小鼠精子中的情况完全不同。在受精后,胚胎中TAD结构非常模糊,在后续的胚胎发育中染色体逐渐建立清晰的TAD结构。


刘江等共同描绘人类精子和胚胎染色体三维结构动态变化


高等动植物基因组可以人为划分为两个区室结构,称作A/B区室(Compartment A/B)结构,A区室结构呈松散染色质状态,基因密度高,属于转录活跃区域,而B 区室结构则呈压缩染色质状态,基因密度低,属于转录抑制区域。这项研究还发现A/B区室结构在人的2细胞期胚胎中消失,然后在后续发育中重新建立(下图)。值得注意的是,不同于小鼠胚胎和果蝇胚胎,在人类早期胚胎中阻断合子基因组激活(ZGA)可以抑制TAD结构的建立。


刘江等共同描绘人类精子和胚胎染色体三维结构动态变化


此外,进一步分析发现CTCF蛋白在合子基因组激活之前表达量非常有限,在TAD结构出现的合子基因组激活时期表达量会迅速上升。在胚胎中敲低CTCF蛋白可以导致TAD结构显著变弱,这表明在合子基因组激活时CTCF蛋白的表达对于人类早期胚胎的TAD结构建立至关重要。


本研究成果首次揭示了人类早期胚胎中的染色体三维结构的动态变化,并发现CTCF蛋白对于早期胚胎发育中TAD结构的重要调控功能,为进一步揭示人类胚胎发育奥秘提供宝贵资源。


背景


染色体三维结构是重要的表观遗传因素,与基因的表达调控密切相关。有研究指出,染色体结构出现异常会造成手指发育畸形、性别反转、癌症发生等一系列问题。人类个体发育从精卵结合形成受精卵开始,经历早期胚胎发育过程,由一个细胞逐渐分裂分化形成一个含有上百种细胞类型、具体多种器官的复杂有机体,但人类精子和卵子受精后,细胞核中的染色体结构如何变化,哪些生物分子会影响胚胎中的染色体结构变化,长期以来是未被解决清楚的科学问题。此外,精子在形态和功能上与其他终末分化的细胞截然不同,染色体在人类精子中如何压缩折叠还并不清楚。因此,探究染色体三维结构在人类精子及早期胚胎中的动态变化及其背后的调控分子对于深入理解人类胚胎发育有重要的理论和临床意义。


中科院北京基因组所刘江团队及其合作者近年来在研究早期胚胎发育过程中表观遗传变化、染色质开放状态和3D基因组结构等方面做出了一系列出色的工作。清华大学颉伟课题组、同济大学高绍荣课题组等在相关领域也做出系列重要工作。2018年3月9日,刘江团队、山东大学陈子江团队与广州医科大学三附院刘见桥团队合作曾在Cell杂志上曾报道了人类早期胚胎发育过程中染色质开放性逐步建立的过程。


文章来源: BioArt

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