中科院，南京大学《Cell》发表表观遗传重要成果

来自中科院北京基因组所，南京大学等处的研究人员揭示了哺乳动物中子代如何继承亲代DNA甲基化图谱的新规律，这不仅改写了该领域长久以来的传统理论，而且将对生殖健康、进化生物学和发育生物学的研究产生重要的意义。这一研究成果公布在Cell杂志上。

　　生物通报道：来自中科院北京基因组所，南京大学等处的研究人员发表了题为“Programming and Inheritance of Parental DNA Methylomes in Mammals”的文章，揭示了哺乳动物中子代如何继承亲代DNA甲基化图谱的新规律，这不仅改写了该领域长久以来的传统理论，而且将对生殖健康、进化生物学和发育生物学的研究产生重要的意义。这一研究成果公布在Cell杂志上。

文章的通讯作者分别是中科院北京基因组所刘江研究员，以及南京大学黄行许教授，这两位学者分别聚焦于遗传学基因组学（以斑马鱼为模型发现，子代胚胎继承精子DNA甲基化图谱），以及不同物种的同源重组（HR）、ZFN、TALEN、CRISPR、shRNA等基因组改造技术，并利用这些技术构建构建各种基因工程细胞和动物疾病模型等。

随着研究的深入，科学家发现DNA序列不是唯一的遗传信息，除了基因组DNA外，还有大量遗传学信息调控着基因的表达，称之为表观遗传信息。通过组蛋白氨基末端残基的翻译后修饰对染色体结构和基因转录进行调控，是目前表观遗传学研究领域的重要部分。

2013年刘江研究组利用高通量测序平台，完成了斑马鱼多个发育阶段单碱基高分辨率的DNA甲基化图谱的绘制，证明了父母基因组中的表观遗传信息在受精后，将会对子代胚胎发育产生重要的影响，研究表明在斑马鱼中除了DNA可以从亲代传递到子代外，精子的DNA甲基化图谱也可以被遗传到子代中，并用于指导胚胎早期发育。

在此基础上，研究人员又展开了深入探索，揭示了哺乳动物中子代如何继承亲代DNA甲基化图谱的规律，更新了关于受精之后DNA甲基化图谱重新编程的传统认识。

之前的研究表明父源和母源DNA都经历全基因组水平的去甲基化过程，但认为父源DNA上的甲基化是通过生物酶的催化反应而去的甲基化，而母源DNA上的甲基化是通过DNA复制而被动的稀释导致DNA的去甲基化；除此之外，过去的研究认为只有父源的DNA甲基化可以被氧化，而母源的DNA甲基化不会被氧化。

但在这一最新研究中，研究人员发现无论是父本还是母本来源的DNA都应该是通过生物酶的催化反应而去甲基化，并且发现了父源和母源的DNA都被氧化的重要过程。

之后通过对哺乳动物和鱼类的进化比较，研究人员又推测提出哺乳动物全基因组特异的去甲基化过程导致了印记基因的产生，从而使胎盘类生殖方式的哺乳动物得以进化出来。

这些研究结果表明，表观遗传重新编程方式的进化可能是产生胎盘生殖方式的哺乳动物的重要一环。 这些重要发现和理论突破，不仅改写了该领域长久以来的传统理论，而且将对生殖健康、进化生物学和发育生物学的研究具有重要意义。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Programming and Inheritance of Parental DNA Methylomes in Mammals

The reprogramming of parental methylomes is essential for embryonic development. In mammals, paternal 5-methylcytosines (5mCs) have been proposed to be actively converted to oxidized bases. These paternal oxidized bases and maternal 5mCs are believed to be passively diluted by cell divisions. By generating single-base resolution, allele-specific DNA methylomes from mouse gametes, early embryos, and primordial germ cell (PGC), as well as single-base-resolution maps of oxidized cytosine bases for early embryos, we report the existence of 5hmC and 5fC in both maternal and paternal genomes and find that 5mC or its oxidized derivatives, at the majority of demethylated CpGs, are converted to unmodified cytosines independent of passive dilution from gametes to four-cell embryos. Therefore, we conclude that paternal methylome and at least a significant proportion of maternal methylome go through active demethylation during embryonic development. Additionally, all the known imprinting control regions (ICRs) were classified into germ-line or somatic ICRs.

作者简介：

刘 江(Jiang Liu)
“****”研究员，博士生导师

研究领域：遗传学基因组学

学习经历：
1994年9月－1998年7月 烟台大学 本科 1998年9月－2003年7月 中科院生物物理所 博士研究生 导师：沈恂 2003年11月－2005年4月 密西根大学 博士后 导师：Edward Stuenkel

工作经历：
2005年5月－2006年7月 耶鲁大学医学院 博士后 导师：Kevin White
2006年8月－2009年7月 芝加哥大学 研究助理
2009年7月－至今 中科院北京基因组研究所 “****”研究员

学术兼职：
2009-至今 Genomics, Proteomics & Bioinformatics 编委

黄行许教授

南京大学博士生导师。1986年毕业于江西农业大学，获得兽医学学士学位，1995年在华南农业大学获得动物解剖学与胚胎学硕士学位，1998年于南方医科大学获得解剖学与胚胎学博士学位。1998到2000年于北京中科院生物物理所生物大分子国家重点实验室做博士后，2001到2008年在美国贝勒医学院做博后。09年至今就职于南京大学国家遗传工程小鼠资源库模式动物研究所。黄教授的团队主要从事遗传学研究，研究开发不同物种的同源重组（HR）、ZFN、TALEN、CRISPR、shRNA等基因组改造技术，并利用这些技术构建构建各种基因工程细胞和动物疾病模型。主要针对非同源重组技术做了大量工作，获得了一系列创新性成果，比如：开发了一种新的ZFN设计和验证策略，利用这一的策略，设计验证了针对人、小鼠、大鼠、斑马鱼、猪、牛、羊、金黄地鼠、猴子等九种不同物种的36个基因的44对ZFN，验证结果显示100%有切割效果；利用ZFN或TALEN介导DSB结合ssDNA，通过原核注射，成功实现了小鼠的基因敲入，效率达到了18～22%；对CRISPR/Cas9系统进行哺乳动物的优化，实现了世界上第一个通过原核注射利用CRISPR/Cas9构建的基因敲除小鼠；通过原核注射实现了小鼠和大鼠的多基因敲除,并在此基础上导入条件性敲除所需loxP模板，通过CRISPR/Cas9介导的同源重组，实现了世界上首次利用CRISPR/Cas9进行大鼠的条件性基因敲除；成功利用突变的Cas9结合双sgRNA技术把脱靶效应降低到检测不到的水平；通过原核注射实现了世界上首次猴的基因敲除。这些研究成果表明黄教授团队具有世界领先水平的基因组改造和基因工程动物制备水平。先后在Cell、Nature Methods、Cell Research、JBC等发表多篇高水平研究论文。研究论文受到世界各大媒体关注，Nature和Science等进行了电话专访，并将这一结果称为“Milestone for targeted gene-editing technology promises better models for human diseases”，“They deserve a lot of credit”。