解析小鼠胚胎核组织构建机制——多表观遗传通路的协同调控

The establishment of nuclear organization in mouse embryos is orchestrated by multiple epigenetic pathways

为探究染色质与核包膜在建立核纤层相关结构域（LADs）中的功能相互作用，研究人员在小鼠胚胎中进行体内筛选。结果发现多种染色质途径影响 LADs 建立和核组织，且早期胚胎 LADs 构建可重置。该研究增进了对胚胎早期核组织的理解。

　　

在生命的奇妙旅程中，胚胎发育一直是科学家们热衷探索的神秘领域。基因组在三维核空间中的折叠方式，对所有与 DNA 相关的过程都有着至关重要的影响。其中，基因组与核纤层结合形成的核纤层相关结构域（LADs），是胚胎发育过程中核组织最早出现的特征。然而，目前对于影响 LADs 建立的因素，以及它们在母源 - 合子转变（MZT）过程中重组的机制，科学家们还知之甚少。为了揭开这些谜团，来自德国亥姆霍兹慕尼黑中心（Helmholtz Munich）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Cell》杂志上，为我们理解胚胎早期核组织的形成提供了重要线索。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是利用 LaminB1 - DamID 技术来绘制 LADs 图谱，以此分析基因组与核纤层的相互作用；二是采用单细胞 RNA 测序技术，研究基因表达的变化情况；三是运用 CUT&RUN 和 CUT&Tag 技术，对特定的组蛋白修饰进行分析 。研究中使用的小鼠胚胎样本，来源于 5 - 8 周龄的 F1（C57BL/6J×CBA/H）雌性小鼠与 DBA/2J 雄性小鼠交配后所得。

研究结果如下：

1. 受精后染色质和核结构通路扰动影响核组织：研究人员通过对参与各种核过程的蛋白质进行筛选，发现干扰与组蛋白修饰、异染色质和组蛋白含量相关的通路，会导致核组织出现多种表型，如 LADs 增强、减弱、崩溃和倒转等。这些结果表明，不同的因素在建立合子核结构中发挥着重要作用。

2. 染色质特征与 LADs 建立的关系：通过对全基因组 LaminB1 - DamID 分数的相关性分析，发现存在两个主要的聚类。扰动染色质途径会增加野生型 A 区室区域与核纤层的关联，而破坏核膜结构成分等则会导致不同的变化。这说明特定的染色质特征在调节 LADs 与核纤层的关联中起作用。

3. MZT 过程中 LADs 重组的调控因素：在 2 - 细胞晚期进行筛选，发现 H3K4、H3K9 和 / 或 H3K27 甲基化途径参与了 2 - 细胞阶段 LAD 边界的正确定位。并且，即使合子中的 LADs 受到强烈扰动，胚胎在 2 - 细胞阶段仍能重新建立 LADs，这表明核组织在早期胚胎中具有高度的适应性。

4. 单个效应因子对 LADs 建立和重组的影响：研究特定候选物对常染色质和异染色质区域的影响发现，单个效应因子在染色质途径中具有非冗余性。例如，H3K9me²/me³甲基转移酶和 H3K9me²及 H3K27me²去甲基化酶，对核组织的初始建立和 2 - 细胞阶段 LADs 的重组都有影响。

5. LAD 边界重组的机制：研究发现 LAD 边界会根据 H3K9me³和 H3K4me³结构域的位置信息重新组织。H3K4me³可以限制 H3K9me³向核纤层的锚定，从而决定 LAD 边界的位置。

6. LADs 破坏对发育的影响：研究表明，继承的 H3K27me³在合子中建立 LADs 景观比在 2 - 细胞阶段更重要。虽然合子中的 LADs 对早期发育并非必需，但 2 - 细胞阶段的 LADs 对胚胎发育至关重要。此外，LADs 的破坏与基因表达变化有关，但这种关系较为复杂，取决于染色质扰动的背景。

研究结论和讨论部分指出，该研究生成了 LAD 破坏表型的目录，并确定了体内破坏核结构的分子参与者。研究发现合子 LADs 不稳定，对异染色质相关的组蛋白修饰变化高度敏感。同时，研究提出了一种模型，即 H3K4me³限制 H3K9me³向核纤层的锚定，从而确定 LAD 边界。此外，研究还发现 H3K27me³在早期胚胎 LADs 组织中起作用，并且染色质的压实状态会影响核组织。这些发现增进了我们对胚胎早期染色质和基因组组织的理解，为进一步研究胚胎发育过程中的核组织机制奠定了基础。