十大顶级科学家张毅最新文章：表观重编程机制

　　

生物通报道：来自霍德华休斯医学院，波士顿儿童医院等处的研究人员揭示了原始生殖细胞PGC重编程和生殖细胞发育过程中5MC和5hmC的动态变化，并指出了这两者在减数分裂和印记基因的表观重编程，以及转录调控中的重要作用。相关成果公布在Cell Research杂志上。

领导这一研究的是哈佛医学院的张毅教授，几年前汤姆森科技信息集团旗下《科学观察》(Science Watch)选出了高影响力论文的数量最多的研究人员，其中分子生物学和遗传学领域高影响力论文的数量最多前十位顶级科学家之一就是北卡罗莱纳大学医学院生物化学与生物物理学系教授，霍华德·休斯医学研究院(HHMI)研究员的张毅教授（现就职于哈佛医学院），其实验室2001年到2007年间发表5篇Cell，4篇Science，4篇Nature和4篇Nature子刊，是表观遗传学DNA甲基化研究领域的权威专家之一。

2011年张毅教授研究组发现了第7种，和第8种DNA碱基：5-胞嘧啶甲酰（5-formylcytosine），5-胞嘧啶羧基（5-carboxylcytosine），并在人体胚胎干细胞和实验鼠器官染色体组的DNA中发现了这两个碱基的踪迹。这项成果被众多科学家认为意义重大，对干细胞和癌症研究非常重要。

在此基础上，近期这一研究组又深入分析了原始生殖细胞重编程和生殖细胞发育过程中，5mC和5hmC所扮演的角色，从中揭示了这两者在重编程过程中的动态作用机制。

之前的研究表明，小鼠原始生殖细胞（primordial germ cells，PGCs）能通过全基因组范围内DNA甲基化重编程，来重启其全能性，但是对于其中精确的5mC动态作用机制，以及其与5hmC之间的关系，科学家们还并不清楚。

为此研究人员分析了5mC和5hmC的作用，结果出乎他们意料的是，研究人员发现在5MC和5hmC水平低的时候会出现一个特殊阶段（E8.5-9.5），随后，5hmC水平又增加在E11.5的高峰值，再逐渐减少。

有趣的是，在这一阶段里，5hmC会在染色中心（chromocenter）富集，这种生殖细胞特殊5hmC亚核定位模式（5hmC subnuclear localization pattern）在雌性生殖细胞中存在，甚至是成熟的卵母细胞中也有，但是在雄性生殖细胞的有丝分裂增殖过程中，会逐渐丢失。研究人员还发现臂间5hmC在主要卫星重复片段的沉默中扮演了重要角色，尤其是在雌性PGCs中。

此外，研究人员还通过RNA-seq全转录组分析，发现E9.5到13.5期间的大部分差异表达基因，在雄性和雌性PGCs中都会表达增多。虽然只有雌性的PGCs在产前阶段进入减数分裂，但是减数分裂相关的印记基因却是在E13.5时出现大幅度的提升。

由此研究人员指出，这一研究不仅揭示了PGC重编程和生殖细胞发育过程中5MC和5hmC的动态变化，而且也发现了这两者在减数分裂和印记基因的表观重编程，以及转录调控中的重要作用。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Dynamics of 5-methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine during germ cell reprogramming

Previous studies have revealed that mouse primordial germ cells (PGCs) undergo genome-wide DNA methylation reprogramming to reset the epigenome for totipotency. However, the precise 5-methylcytosine (5mC) dynamics and its relationship with the generation of 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) are not clear. Here we analyzed the dynamics of 5mC and 5hmC during PGC reprograming and germ cell development. Unexpectedly, we found a specific period (E8.5-9.5) during which both 5mC and 5hmC levels are low. Subsequently, 5hmC levels increase reaching its peak at E11.5 and gradually decrease until E13.5 likely by replication-dependent dilution. Interestingly, 5hmC is enriched in chromocenters during this period. While this germ cell-specific 5hmC subnuclear localization pattern is maintained in female germ cells even in mature oocytes, such pattern is gradually lost in male germ cells as mitotic proliferation resumes during the neonatal stage. Pericentric 5hmC plays an important role in silencing major satellite repeat, especially in female PGCs. Global transcriptome analysis by RNA-seq revealed that the great majority of differentially expressed genes from E9.5 to 13.5 are upregulated in both male and female PGCs. Although only female PGCs enter meiosis during the prenatal stage, meiosis-related and a subset of imprinted genes are significantly upregulated in both male and female PGCs at E13.5. Thus, our study not only reveals the dynamics of 5mC and 5hmC during PGC reprogramming and germ cell development, but also their potential role in epigenetic reprogramming and transcriptional regulation of meiotic and imprinted genes.