清華新聞網(wǎng)12月1日電 DNA甲基化在基因表達(dá)、基因印記和X染色體失活等過(guò)程中發(fā)揮著重要的調(diào)控功能。作為細(xì)胞表觀(guān)記憶機(jī)制的重要組成部分，DNA甲基化在體細(xì)胞分裂中能夠穩(wěn)定遺傳。然而，在哺乳動(dòng)物配子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，DNA甲基化經(jīng)歷了廣泛而劇烈的重編程，以完成親代-子代轉(zhuǎn)變和發(fā)育時(shí)鐘的重置。在哺乳動(dòng)物的整個(gè)生命周期中，DNA甲基化經(jīng)歷了三次大規(guī)模的重新建立過(guò)程，分別發(fā)生于精子發(fā)生、卵子發(fā)生和胚胎著床之后。其中，精子發(fā)生和卵子發(fā)生階段的DNA甲基化建立分別受組蛋白修飾H3K36me2和H3K36me3嚴(yán)格調(diào)控，但胚胎著床后DNA甲基化重建的分子機(jī)制仍不清楚。
11月11日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉教授團(tuán)隊(duì)、山東大學(xué)婦兒與生殖健康研究院盧緒坤副研究員團(tuán)隊(duì)和復(fù)旦大學(xué)生殖與發(fā)育研究院張宇研究員團(tuán)隊(duì)合作，在《自然·細(xì)胞生物學(xué)》（Nature Cell Biology）發(fā)表題為“H3K36me2重編程譜系特異性調(diào)控著床后DNA甲基化從頭建立”（Reprogramming of H3K36me2 guides lineage-specific post-implantation de novo DNA methylation）的研究論文。研究通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)小鼠早期胚胎發(fā)育過(guò)程中H3K36me2的動(dòng)態(tài)重編程，揭示了H3K36me2重編程協(xié)同DNMT3A/3B以譜系特異性的方式調(diào)控著床后DNA甲基化重建的功能和分子機(jī)制。
研究團(tuán)隊(duì)首先系統(tǒng)繪制了小鼠卵母細(xì)胞、著床前和著床后胚胎中的H3K36me2動(dòng)態(tài)變化圖譜，發(fā)現(xiàn)卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)錄影響H3K36me2與H3K36me3之間的相互轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)錄沉默的卵母細(xì)胞中，H3K36me2更傾向于定位到基因體（genebody）區(qū)域。受精之后，父本H3K36me2快速丟失，而母本H3K36me2在8-細(xì)胞之后丟失。合子基因組激活（Zygotic genome activation, ZGA）之后，H3K36me2呈現(xiàn)兩步建立過(guò)程：著床前胚胎H3K36me2首先在增強(qiáng)子逐步建立（Seeding），著床后遍布大部分基因組（Spreading）（失活的X染色體除外）。
為研究H3K36me2在著床后DNA甲基化重建中的功能和對(duì)胚胎發(fā)育的影響，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了H3K36me2甲基轉(zhuǎn)移酶——NSD1酶活突變的小鼠模型。結(jié)果顯示，H3K36me2缺失顯著影響胚外組織中DNA甲基化的重建，但是對(duì)胚胎組織中DNA甲基化重建的影響較小。進(jìn)一步研究表明，DNMT3A通過(guò)PWWP結(jié)構(gòu)域嚴(yán)格識(shí)別和依賴(lài)H3K36me2/3（Accurate reader），而DNMT3B則可以不依賴(lài)H3K36me2/3進(jìn)行DNA甲基化（Leaky reader）。因此，胚胎組織中高表達(dá)的DNMT3B在H3K36me2缺失的情況下仍可以保證全局性DNA甲基化的建立。但是，H3K36me2對(duì)于經(jīng)常受到甲基化調(diào)控的啟動(dòng)子，包括生殖系特異性基因啟動(dòng)子的有效甲基化和沉默是必需的。研究還發(fā)現(xiàn)，富含發(fā)育關(guān)鍵基因的DMV（DNA methylation valley）區(qū)域能夠通過(guò)PRC1/H2AK119ub1抑制H3K36me2，進(jìn)而防止該區(qū)域被異常甲基化。
值得關(guān)注的是，在小鼠精子和卵子中，DNMT3B通常低表達(dá)甚至不表達(dá)，而DNMT3A是最重要的從頭DNA甲基化酶，由于DNMT3A嚴(yán)格依賴(lài)H3K36me2/3，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這種分工可能保證了基因印記（一種控制兩性繁殖的親本差異化DNA甲基化現(xiàn)象）能夠在精卵中準(zhǔn)確建立。
綜上所述，研究揭示了H3K36me2在小鼠早期胚胎發(fā)育中的重編程規(guī)律，包括其兩步建立過(guò)程，并確定了H3K36me2在著床后胚胎中譜系和位點(diǎn)特異性DNA甲基化重建及基因調(diào)控中的重要作用。此外，研究還解析了DNMT3A和DNMT3B在建立DNA甲基化時(shí)對(duì)H3K36me2/3的不同依賴(lài)性。研究不僅加深了對(duì)不同生物學(xué)過(guò)程中DNA甲基化建立調(diào)控機(jī)制的理解，也將為不孕不育的診斷治療和更精準(zhǔn)表觀(guān)組編輯工具的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。
H3K36me2協(xié)同DNMT3A/3B譜系特異性調(diào)控著床后DNA甲基化的重建
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授頡偉、山東大學(xué)婦兒與生殖健康研究院副研究員盧緒坤和復(fù)旦大學(xué)生殖與發(fā)育研究院研究員張宇為論文共同通訊作者。盧緒坤和清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2023級(jí)博士生王利娟為論文共同第一作者。
研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、清華-北京生命科學(xué)中心、新基石基金的經(jīng)費(fèi)支持，同時(shí)得到清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心、生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心基因測(cè)序平臺(tái)以及計(jì)算平臺(tái)的大力協(xié)助和支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41556-025-01805-8
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
