景乃禾研究组合作解析小鼠原肠期胚胎胚层形成的表观遗传调控规律

        10月7日，国际著名学术期刊Cell Research在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）景乃禾研究员研究组、北京大学汤富酬教授课题组、中科院分子细胞中心（生化与细胞所）李劲松研究组和广州大学乔云波副教授团队的合作论文“Distinct enhancer signatures in the mouse gastrula delineate progressive cell fate continuum during embryo development”。

 

        在哺乳动物早期胚胎发育过程中，胚胎通过原肠运动，形成了具有不同发育命运的外、中、内三个胚层。原肠运动过程中的三胚层形成为后续小鼠胚胎的器官形成等打下了坚实基础，是整个胚胎发育过程中最关键的分子事件之一。在小鼠原肠胚中，伴随着胚胎发育过程的进行，各胚层逐渐形成特异性的区域分布。其中胚内部分的外胚层细胞主要分布在胚胎上胚层的前端部分；中内胚层前体细胞则主要分布在上胚层后端的原条部分，并经过上皮间充质转换过程， 越过原条，向胚胎前端迁移包裹形成中胚层细胞。三胚层形成过程中伴随着细胞命运的次序决定，对该过程中细胞命运决定调控机制的研究一直是发育生物学研究中的热点和难点。

 

        在前期研究中，景乃禾研究组、汤富酬课题组和乔云波团队阐明了早期胚胎发育过程中，胚外组织细胞和胚内组织细胞对发育相关基因调控的不同表观遗传机制（Cell Research，2018）。然而，对原肠运动过程中三胚层形成的表观调控机制的认识还很欠缺。

 

        在本项研究中，景乃禾研究组及其合作团队结合原肠胚胚层细胞区域化分布的特点和前期建立的少量细胞表观遗传学研究技术（low-cell number ChIP-seq和reduced representation bisulfite sequencing），对原肠运动过程中（起始阶段E6.5天，中间阶段E7.0天和结束阶段E7.5天）的表观遗传修饰（H3K4me1, H3K4me3, H3K9ac, H3K27me3, H3K27ac, DNA methylation）模式进行了系统性研究。通过结合ChromHMM 分析，研究人员构建了小鼠原肠胚中细胞的染色质状态模型；结合进一步生物信息学分析，研究人员发现不同胚层的染色质状态转换呈现出不同的规律。其中，中内胚层细胞在原肠运动早期（E6.5-E7.0）就呈现出剧烈的变化，而外胚层细胞在原肠运动晚期（E7.0-E7.5）才呈现出明显的变化。通过整合已发表数据，研究人员确认了大量原肠胚中特异性存在的增强子，发现了器官发生关键基因相关的增强子在原肠胚中即被预标记的规律。在此基础上，研究人员利用转基因增强子活性报告系统对这些增强子在小鼠胚胎发育各阶段的活性进行了验证， 发现并鉴定了一个新的、在胚胎外胚层中具有特异性活性的预标记增强子-Ect2，并确认了该增强子在小鼠胚胎发育过程中的活性分布，及对小鼠胚胎干细胞神经分化过程的调控作用。

 

        这项工作为理解哺乳动物胚胎发育过程中细胞谱系的形成及其发育潜能建立的表观调控机制提供了大量翔实的数据，将极大地推动对哺乳动物早期胚胎发育过程规律及机制的认识，并为干细胞再生医学的发展提供重要理论支撑。

 

        该研究由中科院分子细胞中心（生化与细胞所）景乃禾研究员研究组、北京大学汤富酬教授课题组、中科院分子细胞中心（生化与细胞所）李劲松研究组和广州大学乔云波副教授团队共同合作完成。景乃禾研究组杨贤法博士、汤富酬课题组胡博强博士、李劲松研究组博士研究生廖娇阳和广州大学乔云波副教授为本文的共同第一作者，景乃禾研究员、汤富酬教授、李劲松研究员和乔云波副教授为论文共同通讯作者。该项工作得到了英国皇家科学院院士、澳大利亚悉尼大学Patrick Tam教授、多伦多病孩医院Chi-chung Hui 教授、中科院生物物理所朱冰研究员、中科院分子细胞中心（生化与细胞所）李党生研究员和周斌研究员等的大力帮助。该研究课题得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、 国家自然科学基金委员会等的经费支持。数据收集工作得到了中科院分子细胞中心（生化与细胞所）动物实验技术平台、分子生物学技术平台、细胞分析技术平台的大力支持。

 

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