刘江/陈子江合作团队揭示人类精子和胚胎染色体三维结构建立的奥秘

来源：BioArt

点评 | 吴强（上海交通大学）、李程（北京大学）

责编 | 迦溆

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【1,2】、染色质开放状态和【3】3D基因组结构等【4】方面做出了一系列出色的工作（部分内容详见BioArt此前的报道：Cell丨中国学者首次报道人类早期胚胎发育染色质调控的动态图谱——附三组专家点评；颉伟/刘江组背靠背在Nature和Cell报道哺乳动物着床前胚胎染色体三维结构重编程【专家点评】）。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。 

2019年12月5日，刘江团队再次与陈子江团队合作在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。

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。

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。

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。

专家点评

吴强（上海交通大学系统生物医学研究院）

在真核细胞核中，三维基因组折叠形成高度有序并且层次分明的拓扑结构域，两个拓扑结构域之间由隔离子分开，影响细胞特异性基因表达调控。近年来，随着高通量测序技术和表观遗传分析技术的迭代发展，早期胚胎发育过程的表观遗传谱、染色质开放图谱等均得到了系统的研究，但针对早期胚胎等少量细胞的染色质三维结构的相关研究较为稀少。国内多个研究组近年来连续在高水平期刊上发表了一系列关于早期胚胎发育过程中的基因表达调控和染色质开放图谱，但人类胚胎发育过程中三维基因组的架构及动态重编程图谱此前还处于空白。

山东大学陈子江研究组和中科院北京基因组研究所刘江研究组合作，利用前期开发的少量细胞Hi-C技术，首次绘制了人类早期胚胎发育过程中的染色质三维结构动态图谱，分析了A / B区室的动态变化，以及染色质高级结构架构蛋白CTCF的关键作用，解决了领域内关键问题。该研究用50-100个细胞绘制了人精子、2细胞、8细胞、桑椹胚、囊胚及6周龄胚胎这六个时期的早期胚胎染色质三维结构图谱。该研究发现，与小鼠精子不同，人类精子细胞不表达染色质架构蛋白CTCF，其染色质不包含拓扑结构域。该研究进一步发现人类拓扑结构域主要在8细胞阶段逐步形成，而在小鼠早期胚胎发育过程中拓扑结构域是从2细胞阶段开始逐步建立。此外，A / B区室化在人类胚胎发育过程中逐渐建立。最后，阻断合子基因组激活可以抑制人胚中拓扑结构域的建立，而在小鼠和果蝇早期胚胎中拓扑结构域的建立不依赖于合子基因组激活。所以合子基因组激活在人胚拓扑结构域建立中的特殊作用将是一个重要的研究方向。 

人类早期胚胎发育中染色质高级结构的建立依赖于拓扑结构域边界的形成。该研究首次发现，2细胞时期形成的拓扑结构域边界數量占囊胚期的30%，而8细胞期形成的拓扑结构域边界數量占囊胚期的67%。进一步研究发现早期形成的拓扑结构域边界距离持家基因比晚期形成的拓扑结构域更近，这个规律在人和小鼠中都适用。最后，研究发现重复序列在拓扑结构域边界富集。这些重要发现为人胚拓扑结构域边界形成的机制研究奠定了基础。 

染色质架构蛋白CTCF在三维基因组形成中起到关键作用，基因组中成千上万CTCF位点的相对方向和位置决定着染色质环化的方向以及拓扑结构域的形成。该研究首次发现人胚拓扑结构域建立的时期与CTCF的表达吻合，并且拓扑结构域在CTCF敲低后显着减少，这表明人胚拓扑结构域在合子基因组激活时期的建立需要染色质架构蛋白CTCF。但是在合子基因组激活时期转录抑制的人胚中过表达CTCF蛋白却不能挽救（rescue）拓扑结构域的建立，说明人胚拓扑结构域的建立还需要其他的染色质架构蛋白。另外一种可能性是CTCF架构拓扑结构域需要合子基因组激活时期转录的大量RNA分子，例如增强子eRNA，因为近年研究发现CTCF与很多RNA相互作用，说明CTCF介导的染色质拓扑结构形成可能依赖于RNA分子。

总之，人类早期胚胎发育过程三维基因组调控变化为进一步研究核内空间结构的建立与发育的关系提供了新的线索和思路，对于阐明各种各样人类疾病与三维基因组架构机制的关系起到重要推动作用，为人类生殖发育研究和将来相关疾病治疗奠定重要的基础。

专家点评

李程（北京大学生命科学学院）

陈子江/刘江团队合作的最新工作，研究人早期胚胎发育过程中三维基因组的建立和变化过程，并与之前同一团队和同行在小鼠早期胚胎发育的相关研究做比较、与CTCF在胚胎早期发育过程中的表达量做关联。研究发现TAD结构从8细胞时期开始建立，在囊胚期基本建立了与6周胚胎和hESC细胞相似的TAD结构。A/B区室结构则建立较晚，在8细胞期和之前只存在类似沉默X染色体的大块区室结构，在桑椹胚期逐渐开始建立，到囊胚期基本建成。这些发现支持TAD与A/B区室由不同的机制而形成。如果在合子期抑制ZGA，TAD结构不能在8细胞期建立，提示TAD形成需要基因转录。已知帮助TAD和染色质环形成的蛋白有cohesin复合体和CTCF，前者在ZGA前就高表达，而CTCF在8细胞期的表达突然上调，抑制ZGA也抑制了CTCF在这个时期的表达。如果在合子期开始抑制CTCF表达，桑椹胚期就不会出现TAD结构。结合CTCF恢复实验，作者总结CTCF对ZGA过程中的TAD建立是必要但非充分条件。作者使用优化的微量Hi-C实验（50-100细胞）、人与小鼠细胞的混合Hi-C实验（排除试验偏倚，用小鼠TAD做对照），提供了宝贵的资源供研究早期胚胎发育的表观遗传过程。后续如果能整合微量细胞的CTCF染色质结合实验，可能更充分地论证CTCF和染色质结合蛋白在早期胚胎发育中与三维基因组、表观遗传和基因表达的因果关系。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1812-0

参考文献

1、Jiang, L., Zhang,J., Wang, J. J., Wang, L., Zhang, L., Li, G., ... & Liu, J. (2013). Sperm,but not oocyte, DNA methylome is inherited by zebrafish early embryos. Cell,153(4), 773-784.

2、Wang, L., Zhang,J., Duan, J., Gao, X., Zhu, W., Lu, X., ... & Liu, J. (2014). Programmingand inheritance of parental DNA methylomes in mammals. Cell, 157(4), 979-991.

3、Ke, Y., Xu, Y.,Chen, X., Feng, S., Liu, Z., Sun, Y., ... ... & Liu, J. (2017). 3Dchromatin structures of mature gametes and structural reprogramming duringmammalian embryogenesis. Cell, 170(2), 367-381.

4、Gao, L., Wu, K.,Liu, Z., Yao, X., Yuan, S., Tao, W., ... ... & Liu, J. (2018). Chromatinaccessibility landscape in human early embryos and its association withevolution. Cell, 173(1), 248-259.