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在胚胎发育中，原肠胚形成（Gastrulation）至关重要，受复杂网络调控，其中不同表观遗传层间的分子协调机制不明。研究人员开展小鼠原肠胚单细胞多组学研究，揭示了表观遗传动态等。该研究有助于理解先天性疾病，拓宽了对相关调控网络的认知。
在生命的奇妙旅程中，胚胎发育一直是科学界极为关注的领域，而原肠胚形成阶段更是其中的关键环节。原肠胚形成过程中，细胞逐渐获得特定的谱系并进行形态发生运动，构建起生物体的基本身体结构。在小鼠中，这一过程发生在大约 E6.0 - E7.5，多能性的上胚层细胞经历谱系限制，分化形成外胚层、中胚层和内胚层。此前，众多研究已经对原肠胚形成过程中的各种分子机制，如转录因子、信号通路等有了一定的了解，然而，对于不同表观遗传层之间如何协调，从而逐步限制细胞谱系潜能的分子机制，仍然迷雾重重。这一未知不仅阻碍了我们对胚胎发育基本过程的深入理解，也使得许多先天性疾病的发病机制难以明确，因为胚胎发育异常往往与这些表观遗传调控的紊乱密切相关。为了揭开这层面纱，南方医科大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们通过构建小鼠胚胎在原肠胚形成过程中六个连续时间点的 H3K27ac 和 H3K4me1 单细胞染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）的多组学图谱，深入探究了表观遗传调控的奥秘。该研究成果发表在《BMC Genomics》杂志上，为我们理解胚胎发育的分子机制提供了重要的线索。
研究人员运用了多种关键技术方法来开展这项研究。首先，他们采用了此前开发的单细胞 ChIP-seq 方法 CoBATCH，对小鼠胚胎在不同发育阶段的单细胞进行 H3K27ac 和 H3K4me1 状态的分析。同时，通过整合单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和单细胞 ChIP-seq 数据，从多个层面解析细胞命运决定的机制。此外，研究中还涉及到轨迹分析、基因调控网络构建等生物信息学分析方法，以深入挖掘数据背后的生物学意义。
下面来看具体的研究结果：
- 单细胞水平的组蛋白修饰图谱：研究人员对小鼠胚胎进行单细胞 CoBATCH 实验，分析 H3K27ac 和 H3K4me1 的修饰状态。经过质量控制后，保留了 3,170 个（H3K27ac）和 3,225 个（H3K4me1）细胞数据。通过无偏迭代聚类分析，分别鉴定出 7 个（H3K27ac）和 5 个（H3K4me1）细胞簇，并根据已知标记基因的 ChIP-seq 信号注释了细胞身份。结果发现，H3K27ac ChIP-seq 信号能更好地区分细胞亚型，且在 Pre_PS 阶段已出现有效的表观遗传启动，为细胞谱系特化奠定基础。
- 不同胚层命运决定的异步性：通过主成分分析（PCA）和对 H3K27ac、H3K4me1 标记增强子的谱系特异性动态分析，发现不同胚层在不同的组蛋白修饰水平上表现出异步的细胞命运决定特征。例如，外胚层和中胚层在 H3K27ac 水平上修饰模式更为相似，而三个胚层在 H3K4me1 模式上则展现出更明显的谱系特异性。同时，研究还发现不同胚层特异性增强子在胚胎发育早期的上胚层细胞中已经有所富集，其中外胚层增强子的富集程度最高。
- 胚层特化的调控轨迹：利用基于 ForceAtlas2 的分区图抽象（PAGA）方法构建力导向图，结合伪时间分析和谱系特异性标记基因，研究人员成功重建了细胞发育轨迹。通过分析发现，不同胚层特异性转录因子在发育过程中呈现出选择性激活的模式，且 H3K27ac 和 H3K4me1 标记的顺式作用元件的动态变化与转录因子的活性密切相关，这表明这些调控轨迹可以用于识别控制胚层特异性转录因子的关键顺式作用元件。
- 整合 scRNA-seq 和 scChIP-seq 数据揭示调控基础：研究人员将单细胞 ChIP-seq 数据与之前发表的 scRNA-seq 数据集进行整合分析。结果发现，在原肠胚形成过程中，H3K27ac 标记的增强子与基因表达之间存在 “时间滞后” 的转换模式，即增强子的激活或抑制在时间上早于或晚于基因表达的变化，这一模式在不同胚层的分化过程中表现各异。这种 “时间滞后” 确保了上胚层细胞向各个谱系的正确启动。
- 中胚层谱系特化中活性增强子相关的基因调控网络：研究人员通过将 H3K27ac 和 H3K4me1 ChIP-seq 数据集通过 scRNA-seq 进行整合，分析了中胚层特化过程中基因表达和活性增强子得分的动态变化。结果发现，活性增强子与基因表达之间存在正相关关系，并鉴定出了参与中胚层特化的关键转录因子，如 T、FOXC2 和 HAND2 等。此外，还发现细胞周期调节因子 Cdkn1c 在中胚层发育中可能起着协调作用，其表达受到一系列中胚层特异性转录因子的调控。
在研究结论与讨论部分，该研究首次绘制了小鼠原肠胚发育过程中 H3K27ac 和 H3K4me1 的单细胞分辨率图谱，揭示了不同胚层细胞命运决定的异步性以及增强子与基因表达之间的 “时间滞后” 模式。这些发现为理解胚胎发育过程中表观遗传调控的分子机制提供了新的视角，有助于深入探究先天性疾病的发病机制。同时，研究还确定了中胚层谱系特化中关键的转录因子和基因调控网络，为进一步研究细胞命运决定和组织发育提供了重要线索。然而，研究也存在一定的局限性，如依赖现有计算工具可能引入偏差。未来的研究可以采用更先进的多组学策略，如 Paired-Tag 和 CoTECH 等，直接在单细胞水平上测量转录组和表观基因组，以更全面地揭示不同表观遗传密码在胚层谱系特化中的作用和动态模式。
