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研究人员为构建全面的男性生殖细胞表观基因组图谱，解决精子发生研究难题，开展了男性生殖细胞发育各阶段表观基因组景观的研究。他们发现 SETD1B 建立宽域 H3K4me3 调控精子发育转录时序，这为精子发生基因调控研究提供了宝贵资源。
在生命的奇妙旅程中，精子的产生过程至关重要。精子发生是一个高度协调的发育过程，精确的基因表达时序对其极为关键。然而，精子发生过程极为复杂，各个阶段的生殖细胞难以分离出均一群体，这使得构建男性生殖细胞全面的表观基因组景观困难重重，严重阻碍了人们对精子发生过程中基因调控机制的深入探索。
为了解开精子发生基因调控的谜团，来自美国加利福尼亚大学戴维斯分校（University of California, Davis）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Cell Research》上，为该领域带来了新的曙光。
研究人员采用了生殖细胞同步化和分离技术，结合先前的数据集，新增多个数据集，对小鼠精子发生过程中的 11 个不同发育阶段进行了全面分析，涵盖有丝分裂、减数分裂和减数分裂后的主要阶段，构建出了目前为止最为全面的生殖细胞发育表观基因组图谱之一。这一图谱为研究精子发生过程中的基因调控提供了宝贵的资源。
通过对这一详细的表观基因组图谱进行分析，研究人员有了一系列重要发现。
在精子发生过程中，研究人员观察到染色质发生了两次重大的重组浪潮。第一次发生在 B 型精原细胞向减数分裂转变之前，此时 H3K27me3 水平下降，同时 H3K9me2 出现全基因组范围的激增，这与减数分裂进入时的全局转录抑制相关，表明在这一阶段 H3K9me2 而非 H3K27me3 在基因沉默中发挥作用。第二次重组发生在粗线期精母细胞中，常染色体上的 H3K9me2 和 H3K9me3 水平全面降低，同时 H3K27me3 水平恢复，形成 H3K4me3 - H3K27me3 双价结构域。这些双价结构域就像是表观遗传的 “占位符”，暂时抑制与精原细胞功能或胚胎发育相关的基因，同时为这些基因未来的激活做好准备。
研究人员还在减数分裂后的圆形精子细胞中意外发现了宽度大于 5kb 的 H3K4me3 宽域。通常 H3K4me3 是活跃转录的标志，在基因启动子处形成尖锐的峰（约 1 - 2kb），而这些宽域却与启动子和增强子重合，是 RNA 聚合酶 II（Pol II）募集的枢纽，还与精子发生后期建立的超级增强子重叠，与精子发育关键的阶段性基因激活密切相关。进一步研究发现，组蛋白甲基转移酶 SETD1B（KMT2G）是这些宽域形成的关键调节因子。敲除生殖细胞中的 Setd1b 基因后，H3K4me3 宽域完全消失，Pol II 错误定位到传统的尖锐 H3K4me3 峰上，这打乱了精子形成过程中精细调节的转录时序，导致早期基因表达延迟，晚期基因提前激活，最终破坏了精子发育所需的精确基因表达级联反应。
此外，转录因子 RFX2 对精子形成至关重要，它在 H3K4me3 宽域高度富集，并与 SETD1B 存在物理相互作用。敲除 Rfx2 基因后，H3K4me3 宽域显著减少，说明 RFX2 与 SETD1B 协同作用建立这些调控位点。而且，Rfx2 缺失导致的转录和发育缺陷比 Setd1b 缺失更严重，暗示 RFX2 可能还协调其他 H3K4me3 甲基转移酶。
值得注意的是，在人类精子细胞中也检测到了 H3K4me3 宽域，这表明在精子发生过程中，跨物种存在保守的基因表达调控机制。同时，研究还发现 H3K4me3 宽域在卵母细胞等其他细胞类型中也存在，但它们的基因组分布和功能在不同细胞类型中有所差异。在卵母细胞中，H3K4me3 宽域跨度大于 10kb，覆盖约 22% 的基因组，主要定位于基因间区域，与 DNA 甲基化呈负相关，由 KMT2B（MLL2）负责形成，敲除 Kmt2b 基因后，虽然宽域消失，但转录变化不大，说明其在卵母细胞中不是转录的主要调节因子。而精子细胞中的 H3K4me3 宽域较短（5 - 10kb），定位于启动子和增强子，是基因表达的激活剂，并且随着精子成熟，宽域大多消失，其作用主要局限于精子分化，对受精后的发育影响较小。不过，卵母细胞和精子细胞中的 H3K4me3 宽域都具有一个共同的机制特征，即它们像分子 “海绵” 一样，将 Pol II 从常规的 H3K4me3 峰中隔离出来，以此竞争调节转录时序、基因剂量和发育转变。
在这项研究中，研究人员主要运用了生殖细胞同步化和分离技术，获取不同发育阶段的生殖细胞样本；通过对样本进行染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）分析组蛋白修饰，包括 H3K4me3、H3K9me2、H3K9me3、H3K27me3 等；利用全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）研究 DNA 甲基化；借助 ATAC - seq 技术检测染色质可及性。这些技术的综合运用，为研究提供了关键支持。
综上所述，该研究明确了精子发生过程中特定阶段的染色质转变，确定了 H3K4me3 宽域是基因表达时序的关键调节因子，为深入理解表观遗传重塑如何精细调节精子发生过程中的基因表达，以及确保男性生育能力提供了重要的理论基础。同时，研究还揭示了一种新的表观遗传调控层面，展示了基于染色质的机制如何控制发育时序，为后续相关研究开辟了新的方向，有望为男性不育等相关疾病的研究和治疗提供新的思路和潜在靶点。
