专访:展开一幅瑰丽的表观遗传研究新画卷

【字体: 时间:2013年05月31日 来源:生物通

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  表观遗传调控,尤其是细胞核内染色体高级组织形式,是目前干细胞研究领域的前沿和热点问题。近期来自加州大学圣地亚哥分校,索克生物研究所等处的研究人员展开了人类胚胎干细胞表观遗传大型研究……

  

表观遗传调控,尤其是细胞核内染色体高级组织形式,是目前干细胞研究领域的前沿和热点问题。近期来自加州大学圣地亚哥分校,索克生物研究所等处的研究人员展开了人类胚胎干细胞表观遗传大型研究,揭示了引导早期人类胚胎发育的基因开启和关闭的机制,绘制出了一副瑰丽的表观遗传学研究新画卷。

这项研究通过大规模基因组学技术,探讨了在胚胎细胞和它们的后代谱系选择自身命运,决定它们生成机体哪一组成部分的过程中,整个基因组的基因开启和关闭的机制。并提出了一种全新的观点,即支配早期胚胎发育调控的主导基因,往往很大程度上是通过H3K27me3组蛋白甲基化而被关闭。同时,那些协调细胞分化后期阶段的基因则主要是通过DNA甲基化沉默。

此外这项研究还发现了一种称为DNA甲基化谷(DNA methylation valleysDMVs)的结构区域,许多被视作是发育主调控因子的基因就定位在这些区域中。

为了更深入的了解这幅画卷背后的故事,生物通特联系了文章的第一作者颉伟博士,就读者感兴趣的问题请教了他。

生物通:这篇最新Cell文章绘制了人类胚胎干细胞多谱系分化的表观遗传图谱,揭示了引导早期人类胚胎发育的基因开启和关闭的机制,可谓是近年来胚胎干细胞表观遗传学研究的集大成者,如此一项浩大的研究工程,贵组花费了多长时间,主要采用了哪些研究技术呢?

颉博士:这项工程花了大约4年时间,是通过美国几个课题组和很多研究人员的紧密合作,在美国NIH Roadmap Epigenomics Project主要资助下共同完成的。主要应用的技术有人体胚胎干细胞定向分化,基于二代测序的RNA-Seq (检测转录组), ChIP-Seq (检测组蛋白修饰), MethylC-Seq (检测DNA甲基化修饰),以及生物信息学。

生物通:是否遇到了一些研究难题,又是如何解决的呢?

颉博士:主要的研究难题包括提高干细胞分化效率,寻找特异的检测组蛋白修饰的抗体,以及二代测序初期比较高昂的费用。前面两个问题的解决是通过不断的实验优化以及大规模的筛选特异抗体,后一个问题主要是通过测序技术的日益成熟和费用的降低。

生物通:这项研究为胚胎发育调控的早期和晚期分别赋予了新的意义,即早期胚胎发育调控主要是由H3K27me3组蛋白甲基化调控,而晚期则是通过DNA甲基化沉默来调控的,这里指的早期和晚期胚胎发育调控,具体是指胚胎发育的哪些方面呢?

颉博士:因为体外细胞分化和体内发育有很大差别,所以很难把体外细胞分化的一个时间点对应到体内发育阶段上的一个特定时间点。粗略的来说,早期可以认为是胚层开始形成的时期。晚期可以认为是组织器官分化都已经完成之后,主要针对末端分化的体细胞。

生物通:除了这两种修饰方式,表观遗传修饰的其它方面,如乙酰化修饰,或者染色质修饰的其它方式,如空间调控等都有什么影响呢?

颉博士:组蛋白乙酰化修饰通常起着正好与DNA甲基化或H3K27me3相反的作用,它能够标记在发育过程中激活的启动子和增强子元素。染色质的空间结构对基因表达调控也有很大的影响,不过在我们这个工作中并没有涉及。

生物通:文章还提到了一种称为DNA methylation valleys的区域,这个用中文表述是什么呢?具有什么意义呢?

颉博士:我建议可以称为DNA 甲基化谷。我们发现在细胞分化的自始至终,在一些发育过程中起重要作用的转录因子和发育基因的启动子区都保持着大范围的DNA甲基化的空缺。反过来,这种大范围的DNA甲基化的空缺可以作为这些重要发育基因的一种表观标记。和以前发现的分子标记相比,DNA 甲基化谷能够更准确的帮助在很多基因中找到那些和发育相关的重要调控基因。为什么发育相关的基因需要保持这种启动子区的很大范围的DNA甲基化空缺还不清楚。有意思的是在癌症细胞中很多DNA 甲基化谷就消失了,提示DNA 甲基化谷的失调可能会与癌症发生相关。

生物通:此外这项研究还编写了增强子DNA序列的调控目录,并指出这些元件在发育早期具有CG富集等特征,这对于基因表达调控具有什么影响呢?

颉博士:发育早期的启用的启动子区大部分有CG富集的特征,但增强子DNA序列通常大部分属于CG含量较低的。最近的研究表明,增强子在发育和细胞分化中可能有着很重要的作用。很多细胞特异的转录因子是首先结合到增强子区来最终启动基因表达的。相比启动子区,增强子在细胞分化过程中显得更加活跃。

生物通:卵细胞是在和精子结合后,完成了之后的胚胎发育过程的,其中精子的表观遗传学修饰对于胚胎发育是否也起到了关键的作用?您认为这种表观遗传修饰的主要影响是什么呢?

颉博士:精子和卵子的表观遗传修饰对胚胎发育都很重要。这个在我们的工作中没有涉及,但是以前的小鼠中的实验表明,有两份来自精子的染色体,或者两份来自卵子的染色体的小鼠是无法发育的。只有同时具有来自卵子和精子染色体的小鼠才能正常发育。这种现象被认为主要是因为精子和卵子染色体上有一些基因表达是有显著差别的,而这种差别主要是通过表观遗传的机制来调控的。另外,最近正好在Cell上发表了两篇对斑马鱼早期发育过程中的DNA甲基化组很有意思的研究成果(中国基因组所的刘江研究组以及美国Brad Cairns研究组)。这些研究表明在斑马鱼中,虽然卵子提供了大部分胚胎早期不可或缺的蛋白和微环境,成熟之后的胚胎的DNA甲基化组反而是和精子更相似一些。这些都表明或提示精子和卵子的表观遗传都是胚胎发育不可缺少的部分。

(生物通:王蕾) 

原文摘要:

Epigenomic Analysis of Multilineage Differentiation of Human Embryonic Stem Cells

Epigenetic mechanisms have been proposed to play crucial roles in mammalian development, but their precise functions are only partially understood. To investigate epigenetic regulation of embryonic development, we differentiated human embryonic stem cells into mesendoderm, neural progenitor cells, trophoblast-like cells, and mesenchymal stem cells and systematically characterized DNA methylation, chromatin modifications, and the transcriptome in each lineage. We found that promoters that are active in early developmental stages tend to be CG rich and mainly engage H3K27me3 upon silencing in nonexpressing lineages. By contrast, promoters for genes expressed preferentially at later stages are often CG poor and primarily employ DNA methylation upon repression. Interestingly, the early developmental regulatory genes are often located in large genomic domains that are generally devoid of DNA methylation in most lineages, which we termed DNA methylation valleys (DMVs). Our results suggest that distinct epigenetic mechanisms regulate early and late stages of ES cell differentiation.

作者简介:

颉伟

研究兴趣包括表观遗传学,基因组学和生物信息学。运用高通量基因组学,同时利用分子生物学和计算生物学的方法,采用干湿实验结合的方式,研究干细胞分化和个体发育以及人类疾病中的表观遗传调控机制。

代表性科研论文:
1. Wei Xie, Matthew D. Schultz, Ryan Lister, Zhonggang Hou, Nisha Rajagopal, Pradipta Ray, John W. Whitaker, Shulan Tian, R. David Hawkins, Danny Leung, Hongbo Yang, Tao Wang, Ah Young Lee, Scott A. Swanson, Jiuchun Zhang, Yun Zhu, Audrey Kim, Joseph R. Nery, Mark A. Urich, Samantha Kuan, Chia-an Yen, Sarit Klugman, Pengzhi Yu, Kran Suknuntha, Nicholas E. Propson, Huaming Chen, Lee E. Edsall, Ulrich Wagner, Yan Li, Zhen Ye, Ashwinikumar Kulkarni, Zhenyu Xuan, Wen-Yu Chung, Neil C. Chi, Jessica E. Antosiewicz-Bourget, Igor Slukvin, Ron Stewart, Michael Q. Zhang, Wei Wang, James A. Thomson, Joseph R. Ecker, and Bing Ren (2013) Epigenomic Analysis of Multi-lineage Differentiation of Human Embryonic Stem Cells, Cell 153: 1134-1148.

2. Wei Xie, Cathy L Barr, Audrey Kim, Feng Yue, Ah Young Lee, James Eubanks, Emma L Dempster and Bing Ren (2012) Base-resolution analyses of sequence and parent-of-origin dependent DNA methylation in the mouse genome, Cell 148: 816-831.

3. Wei Xie, Chunying Song, Nicolas L. Young, Adam Sperling, Feng Xu, Rupa Sridharan, Anne Conway, Benjamin A. Garcia, Kathrin Plath, Amander Clark and Michael Grunstein (2009) Histone H3 lysine 56 acetylation is linked to the core transcriptional network in human embryonic stem cells, Molecular Cell, 33(4):417-427.


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