KDM2A/KDM2B通过调控卵母细胞DNA甲基化模式保障小鼠胚胎发育的分子机制

本研究揭示了组蛋白去甲基化酶KDM2A/KDM2B通过清除H3K36me2标记，阻止DNMT3A介导的卵母细胞全基因组DNA异常甲基化(CpG hypermethylation)的重要机制。研究人员发现母源Kdm2a/Kdm2b双敲除导致卵母细胞CpG岛(CGIs)获得性DNA甲基化(DNAme)，这种异常表观遗传修饰在早期胚胎中无法被重编程，通过抑制合子基因组激活(ZGA)关键基因表达，最终导致植入前胚胎致死。该研究为生殖细胞表观遗传重编程和胚胎发育调控提供了新见解。

　　

在哺乳动物生命周期的表观遗传调控中，DNA甲基化(DNA methylation, DNAme)的动态变化一直是个引人入胜的科学谜题。特别是在雌性生殖细胞中，与其他细胞类型广泛甲基化的基因组形成鲜明对比的是，卵母细胞的DNA甲基化主要局限在转录区域。这种独特的甲基化模式是如何建立和维持的？更重要的是，这种特殊的表观遗传状态对后续胚胎发育有何意义？这些问题的答案不仅关乎基础生物学认知，也对辅助生殖技术具有重要启示。

以往研究发现，精子基因组在受精后会发生大规模DNA去甲基化，而卵母细胞来源的甲基化则相对稳定。这种差异提示两种配子可能采用不同的表观遗传维持机制。更令人困惑的是，虽然卵母细胞DNA甲基化对卵子自身发育并非必需，但完全缺失母源DNA甲基化的胚胎却会在妊娠中期死亡。这表明卵母细胞甲基化模式对胚胎发育具有特殊的"跨代"调控功能。

带着这些疑问，Friedrich Miescher研究所的Yumiko K. Kawamura和Antoine H.F.M. Peters团队在《Developmental Cell》发表了重要研究成果。他们发现组蛋白去甲基化酶KDM2A和KDM2B通过清除H3K36二甲基化(H3K36me2)标记，阻止了DNMT3A在卵母细胞中建立全基因组范围的DNA甲基化。当这两种酶同时缺失时，卵母细胞会在CpG岛(CGIs)等关键调控区域获得异常甲基化，这些异常修饰在受精后无法被完全清除，进而抑制合子基因组激活(ZGA)关键基因的表达，最终导致植入前胚胎发育停滞。

研究人员运用了多种前沿技术：通过条件性基因敲除小鼠模型研究Kdm2a/Kdm2b的发育功能；采用单细胞RNA测序分析突变卵母细胞和胚胎的转录组变化；利用全基因组亚硫酸氢盐测序(WGBS)绘制DNA甲基化图谱；结合CUT&RUN技术检测组蛋白修饰分布；通过免疫荧光染色验证关键表观遗传标记的定位变化。

研究结果部分揭示了多个重要发现：

"KDM2A/KDM2B regulate PRC1-mediated gene repression"表明，KDM2A/KDM2B通过其CxxC结构域招募变体型PRC1复合体(vPRC1.1)，催化H2AK119单泛素化(H2AK119ub1)，进而抑制Polycomb靶基因的表达。双敲除导致1，400多个基因异常激活，其中71%与PRC1核心成分Ring1/Rnf2敲除的表型重叠。

"KDM2A/KDM2B restrict H3K36me2 and DNAme deposition in genes"部分发现，KDM2A/KDM2B的JmjC结构域具有H3K36me2去甲基化活性。双突变卵母细胞中H3K36me2在全基因组范围异常积累，特别是在通常被PRC1抑制的基因区域，进而引导DNMT3A在这些区域建立DNA甲基化。WGBS数据显示，Kdm2a^KO/Kdm2b^KO卵母细胞的整体CpG甲基化水平从对照组的35.8%飙升至58.8%。

"KDM2A/KDM2B prevent deposition of H3K36me2 and DNAme genome wide"进一步证实，这种异常甲基化不仅发生在基因区域，还广泛存在于基因间区。通过回归分析发现，CpGpG三核苷酸频率低的CGIs更容易获得H3K36me2和DNA甲基化，因为这类区域SETD1B/CFP1介导的H3K4三甲基化(H3K4me3)水平较低。

"Aberrant maternal DNAme impairs pre-implantation development"部分展示了关键表型：来自双突变卵母细胞的异常甲基化在受精后不能被有效重编程，导致母源基因组在合子中保持高甲基化状态。这种表观遗传缺陷通过抑制母源等位基因表达，造成基因剂量不足(haplo-insufficiency)，最终导致植入前胚胎死亡。值得注意的是，同时敲除Dnmt3a能完全挽救这种胚胎致死表型，证明DNA异常甲基化是致死的主要原因。

在结论讨论部分，研究强调了几个重要观点：KDM2A/KDM2B通过双重机制保障卵母细胞表观基因组稳定性 - 既作为vPRC1.1的招募因子维持基因抑制状态，又作为H3K36me2去甲基化酶防止全基因组范围的DNA异常甲基化。研究还揭示早期胚胎对母源DNA甲基化的重编程能力有限，特别是对CGIs区域的异常甲基化缺乏有效清除机制。这一发现为理解哺乳动物表观遗传继承规律提供了新视角，也为辅助生殖技术中胚胎质量评估提供了潜在分子标记。从进化角度看，KDM2A/KDM2B的保护机制可能通过防止CpG位点的过度甲基化和随之发生的脱氨基突变，参与塑造了哺乳动物基因组的CpG分布特征。