北大汤富酬、乔杰团队Cell Res表观遗传学新成果

　　

生物通报道：2016年11月8日，国际著名期刊《Cell Research》在线发表了北京大学汤富酬、乔杰团队题为“DNA methylation and chromatin accessibility profiling of mouse and human fetal germ cells”的最新研究成果。这项研究使用核小体占位和甲基化测序法，来分析人类和小鼠胚胎生殖细胞发育过程中一系列关键时间点上的全基因组染色体可及性和DNA甲基化谱。北京大学乔杰教授、汤富酬研究员为论文共同通讯作者。相关阅读：北大谢晓亮、汤富酬、乔杰PNAS开发产前筛查新技术；北大乔杰、汤富酬、黄岩谊发表环状RNA新成果；北大汤富酬发表表观基因组新成果。

在哺乳动物的胚胎发育过程中，发生了两次全基因组的DNA甲基化重编程，并已被证明对于哺乳动物的正确发育是至关重要的。最近，该研究团队与其他研究团队，已经对人胚胎生殖细胞（FGCs）发育过程中的动态转录组和DNA甲基化，进行了综合分析。妊娠后约10~11周，人类FGCs的总体DNA甲基化水平达到最低值；全基因组几乎没有DNA甲基化，只在基因组上留下6%～7%（平均水平）的残余甲基化。另一方面，大多数的重复元件家族，如长的穿插的核元素（LINEs）、短的穿插的核元素（SINEs）和α卫星，仍然保留了丰富的残余DNA甲基化（约12%至37%），这可能为潜在的跨代表观基因遗传提供了依据。尽管总体剧烈的DNA甲基化“擦除”，FGCs在妊娠后4周和11周之间保持相对稳定的转录组。

尽管人类FGCs的全面深入的 DNA去甲基化模式已得以揭示，但是，伴随的人类生殖细胞中的染色质状态，仍然是未知的。小鼠是一种已经确立起来的模型，用于哺乳动物胚胎学研究，在小鼠和人类样本之间的平行比较，可提供很大的信息量，并使我们更好地了解人类胚胎发育。几个研究小组已经应用染色质免疫沉淀结合高通量测序（ChIP-seq）策略，来研究性别分化和减数分裂开始时几个发育时间点上的小鼠原始生殖细胞（PGCs），并提供了小鼠PGCs的全基因组组蛋白修饰谱。

此外，最近的研究报道称，小鼠胚胎干细胞/诱导多能干细胞可被诱导分化为外胚层细胞，它们可被编程为PGC样细胞（PGCLCs），具有形成为配子的能力，从而提供一个强大的系统，用于体外调查小鼠生殖细胞特化和发展的关键特征。此外，研究人员还将ChIP-seq应用于这个体外系统，并分析了PGC特化和发育过程中的组蛋白修饰重编程，这与以前的免疫染色结果一致。

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虽然小鼠体内生殖细胞和体外PGCLCs的全基因组蛋白修饰谱已经得以分析，并且表观遗传重编程的几个生殖细胞系特异性的特性也得以揭示，但是由于缺乏材料和技术上的困难，研究人类FGCs中的全基因组染色质状态，仍然具有挑战性。最近，核小体占位和甲基化测序（NOMe-seq）的技术已被开发出来，该技术利用M.CviPI GpC甲基转移酶，来特异性地甲基化开放染色质区域中的GpC二核苷酸。

基于这一原理，NOMe-seq可以仔细分析来自靶细胞类型的染色质可及性，以及内源性DNA甲基化，甚至来自有限数量的细胞。在这项研究中，研究人员使用NOMe-seq技术来分析人类FGCs以及其在植入后胚胎性腺中邻近的体细胞。同时，研究人员还在可比较的发育时间点上分析了小鼠FGCs和体细胞，以仔细分析人类生殖细胞基因组上进化保守的、以及物种特有的DNA甲基化特征和染色质状态。

在人类和小鼠FGCs中，研究人员分别发现了116 887个和137 557个核小体耗尽的区域（NDRs），覆盖大量的生殖细胞特异性和高度动态的调节基因组元素，如增强子。此外，研究人员发现，远端NDRs是特别丰富的，用于结合多能细胞和生殖细胞主调节因子的基序，如人类FGCs中的 NANOG，SOX17，AP2γ和Oct4，说明在人类FGCs中的多能性相关基因和生殖细胞特异性基因之间，存在一种微妙的调节性平衡，并且这些基因对于体内生殖细胞发育有着功能性的意义。总而言之，这项研究提供了一个全面的、高分辨率的路线图，用于解析人类和小鼠FGCs的表观基因组重编程过程中的染色质状态转变动力学。

（生物通：王英）

注：乔杰，女，主任医师，教授，北京大学第三医院妇产科主任，院长，博士生导师。
1964.1出生，1987年毕业于北京医科大学医学系。1990年在北京医科大学第三医院妇产科获临床医学硕士学位，此后在北医三院从事妇产科临床、科研和教学工作至今。1996年在职取得临床医学博士学位，研究方向为多囊卵巢综合症。1996至1997 作为访问学者在香港大学玛丽医院妇产科学习生殖内分泌及辅助生殖技术。2002年9月－2003年8月在美国斯坦福大学做博士后，从事卵巢颗粒细胞胰岛素信号传导系统对甾体激素产生的影响及胰岛素样生长因子对卵巢颗粒细胞、子宫内膜细胞凋亡的影响的研究。目前为中华医学会生殖医学分会主任委员，亚太地区生殖医学学会委员，中华医学会妇产科学分会第八届委员会委员, 中华医学会妇产科学会北京分会委员,中国人口学会生殖健康分会理事，《中国妇产科临床杂志》编委，《中国微创外科杂志》编委，《中华医药杂志》常务编委 ，《中国生育健康杂志》编委，中国企业文化研究会医药卫生委员会理事。1998年、2000年、2004年及2005年四次获得国家自然科学基金资助从事多囊卵巢综合征的病因及临床治疗机制的探讨。2002年承担科技部《国家重点基础研究发展规划》973项目子课题“植入前胚胎发育遗传学诊断的分子雷达—光学相干技术系统的研究”。2002年教育部青年教师奖。曾多次被评为优秀教师、优秀医师。发表科研论文约60篇。参加《七年制妇产科学》、《妇产科诊疗常规》、《妇产科疾病释疑》、《妇科内分泌学》等十余部专著的编写。

汤富酬研究员，2003年在北京大学获理学博士学位，2004－2010年，英国剑桥大学Gurdon研究所博士后，2010年至今在北京大学生物动态光学成像中心任研究员。主要围绕哺乳动物早期胚胎发育，研究胚胎干细胞和上胚层干细胞的自我更新能力和多能性调控的分子机理，特别是表观遗传学调控机理，以及相关的原始生殖细胞发育过程中的表观遗传学重编程机理。利用本实验室发展的单细胞microRNA表达谱分析技术、基于深度测序的单细胞数字转录组分析技术、单细胞基因分型技术、以及染色体免疫共沉淀-深度测序技术、小鼠胚胎显微操作技术深入分析多能性干细胞的动态基因表达网络和表观遗传学调控。

生物通推荐原文摘要：
DNA methylation and chromatin accessibility profiling of mouse and human fetal germ cells
Abstract：
Chromatin remodeling is important for the epigenetic reprogramming of human primordial germ cells. However, the comprehensive chromatin state has not yet been analyzed for human fetal germ cells (FGCs). Here we use nucleosome occupancy and methylation sequencing method to analyze both the genome-wide chromatin accessibility and DNA methylome at a series of crucial time points during fetal germ cell development in both human and mouse. We find 116 887 and 137 557 nucleosome-depleted regions (NDRs) in human and mouse FGCs, covering a large set of germline-specific and highly dynamic regulatory genomic elements, such as enhancers. Moreover, we find that the distal NDRs are enriched specifically for binding motifs of the pluripotency and germ cell master regulators such as NANOG, SOX17, AP2γ and OCT4 in human FGCs, indicating the existence of a delicate regulatory balance between pluripotency-related genes and germ cell-specific genes in human FGCs, and the functional significance of these genes for germ cell development in vivo. Our work offers a comprehensive and high-resolution roadmap for dissecting chromatin state transition dynamics during the epigenomic reprogramming of human and mouse FGCs.