一直以來(lái)，科學(xué)家們都在試圖搞清楚遺傳密碼的作用。這些纏卷在一起的DNA分子，自身編碼著非常重要的生物功能，即使不改變DNA序列，只是稍微給它們“化個(gè)妝”，比如說(shuō)裝上一個(gè)甲基“帽子”，也能夠讓它發(fā)生翻天覆地的變化。研究顯示，DNA甲基化對(duì)多個(gè)生物學(xué)過(guò)程都至關(guān)重要，基因是否表達(dá)、是否能穩(wěn)定傳遞、一些功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，甲基化都摻了一腳。
如果能搞清楚DNA甲基化的秘密，可以說(shuō)我們離揭秘生命本源又近了一步。
今天，《自然遺傳學(xué)》在線發(fā)表了北京大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院湯富酬教授課題組、喬杰教授課題組的一項(xiàng)最新研究[1]。利用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，我國(guó)的研究者們首次深度解析了早期胚胎發(fā)育過(guò)程中的去甲基化與從頭甲基化的動(dòng)態(tài)變化、親本基因組甲基化差異，并提出了利用甲基化不對(duì)稱(chēng)性追溯細(xì)胞譜系的可能。
從左至右為本項(xiàng)研究的通訊作者湯富酬、喬杰、閆麗盈
本次研究中共測(cè)定了三大類(lèi)共計(jì)480個(gè)細(xì)胞，平均每個(gè)細(xì)胞測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到8.4GB、甲基化位點(diǎn)1080萬(wàn)個(gè)，可謂是數(shù)據(jù)浩如煙海。
誠(chéng)如科學(xué)家們?cè)谖闹兴?，這項(xiàng)研究為破譯早期人類(lèi)胚胎DNA甲基化重編程的秘密鋪平了道路。
劃重點(diǎn)
①首次揭示早期胚胎發(fā)育過(guò)程中去甲基化與從頭甲基化的動(dòng)態(tài)平衡，且從頭甲基化大量特異性集中在DNA重復(fù)序列區(qū)，這暗示DNA從頭甲基化對(duì)抑制轉(zhuǎn)座子活性、維護(hù)基因組穩(wěn)定有重要作用。
②首次發(fā)現(xiàn)早期胚胎發(fā)育直至著床階段過(guò)程中親本基因組甲基化水平存在差異，母本基因組甲基化水平高于父本，這意味著母本基因組的甲基化水平對(duì)胚胎發(fā)育的潛在影響可能更大。
③首次利用胚胎細(xì)胞分裂過(guò)程中DNA甲基化的不對(duì)稱(chēng)分配追溯單個(gè)細(xì)胞來(lái)源，提出利用DNA甲基化水平追溯細(xì)胞譜系的可能性。
想要搞清楚甲基化的秘密，沒(méi)有別的方法，只能對(duì)基因進(jìn)行逐個(gè)分析。北大的湯富酬教授和喬杰教授團(tuán)隊(duì)就一直在做著這樣的事情。
2014年，兩位科學(xué)家聯(lián)手登上《自然》雜志，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)早期胚胎發(fā)育DNA甲基化的系統(tǒng)研究[2]。在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，研究者采用了全基因組重硫酸鹽（PBAT）測(cè)序技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)允許對(duì)小量級(jí)別（1ng）以下的DNA進(jìn)行甲基化水平測(cè)量，這解決了胚胎內(nèi)單個(gè)細(xì)胞之間甲基化程度不均一的問(wèn)題，在單細(xì)胞、單堿基的分辨率上清晰展現(xiàn)了DNA甲基化圖景。
早期胚胎發(fā)育過(guò)程中甲基化水平變化
我們都知道，在胚胎發(fā)育的初期，也就是受精卵形成之后，來(lái)自親本的基因組會(huì)經(jīng)過(guò)一次“大清洗”，整體進(jìn)行去甲基化處理，這也是為什么父母的基因甲基化很少會(huì)遺傳給孩子的原因。研究者發(fā)現(xiàn)，這種去甲基化是分三個(gè)時(shí)段進(jìn)行的。
第一次大規(guī)模的去甲基化發(fā)生在受精后10-12小時(shí)，這時(shí)父本基因的甲基化水平會(huì)從82.0%降到52.9%，母本基因則會(huì)從54.5%降低到50.7%。此時(shí)去甲基化主要發(fā)生在增強(qiáng)子和基因主體區(qū)域（gene body）。
第二次去甲基化發(fā)生在受精卵晚期到二細(xì)胞時(shí)期，此時(shí)基因組的甲基化水平從49.9%降低到40.4%；第三次去甲基化發(fā)生在八細(xì)胞時(shí)期到桑葚期，基因組甲基化水平從47.0%降低到35.1%。這兩次去甲基化主要發(fā)生在內(nèi)含子和各種DNA重復(fù)序列上（基本是轉(zhuǎn)座序列）。
有細(xì)心的讀者可能注意到了，這三次去甲基化之間，DNA甲基化水平的數(shù)據(jù)并不連續(xù)啊？因?yàn)?，在這三塊去甲基化“餅干”中間，還夾著兩次從頭甲基化“夾心“呢。
在生殖細(xì)胞原核融合在一起的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生一次從頭甲基化；在四細(xì)胞時(shí)期到八細(xì)胞時(shí)期中，發(fā)生了另一次從頭甲基化。根據(jù)研究者測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，這兩次大規(guī)模甲基化中，涉及到的基因分別是19861個(gè)和53437個(gè)！
這些從頭甲基化的基因看起來(lái)十分有目的性，也是主要集中在DNA重復(fù)序列上（包括短散在序列、長(zhǎng)散在序列、長(zhǎng)末端重復(fù)序列等），好像是在刻意遏制這些重復(fù)序列的活性，防止激活轉(zhuǎn)座子，用這種方式來(lái)維護(hù)基因組的穩(wěn)定。
兩次從頭甲基化基因的動(dòng)態(tài)變化
有趣的是，經(jīng)過(guò)了從頭甲基化的基因也并不是一直保持著甲基化的狀態(tài)，它們很有可能在下一波去甲基化浪潮中又被還原了，可見(jiàn)去甲基化與從頭甲基化是一種動(dòng)態(tài)平衡，最終胚胎呈現(xiàn)的整體甲基化水平是這種動(dòng)態(tài)平衡等號(hào)之后的產(chǎn)物。
在分析胚胎甲基化水平的過(guò)程中，研究者發(fā)現(xiàn)了一件很有意思的事——親本基因之間的甲基化水平竟然很不一樣！在第一次去甲基化浪潮中，父本甲基化水平暴跌29.1%，母本只下降了3.8%！
研究者排除了一些印記基因（ICRs）的影響。這些基因會(huì)根據(jù)來(lái)源產(chǎn)生表達(dá)差異。比如說(shuō)，同樣的一個(gè)等位基因，來(lái)自母本的會(huì)表達(dá)，來(lái)自父本則不表達(dá)。但是排除了之后，這種差異依舊存在。
在胚胎形成的最初，父本基因甲基化水平可是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母本的，但是隨著細(xì)胞生長(zhǎng)分裂，等到二細(xì)胞時(shí)期，母本的基因甲基化水平（23.0%）就會(huì)反超父本（15.2%），并且這種現(xiàn)象會(huì)一直持續(xù)。
親本基因甲基化動(dòng)態(tài)變化
研究者還同時(shí)測(cè)量了內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（ICM）和外胚層（TE）的甲基化水平。結(jié)果顯示，內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中母本與父本的甲基化水平分別為78.6%和76.6%，在外胚層則是67.0%和58.5%，差異更大了呢！
研究者猜測(cè)，這種甲基化的不對(duì)稱(chēng)性，可能說(shuō)明了來(lái)自母本的甲基化“記憶”對(duì)胚胎、尤其是胎盤(pán)的發(fā)育影響更大，可能會(huì)影響到一些親本特異性基因的特征。不過(guò)根據(jù)研究者給出的數(shù)據(jù)，這似乎暫時(shí)不影響特異性基因的表達(dá)（ASEs）。
考慮到細(xì)胞內(nèi)甲基化水平的動(dòng)態(tài)變化和等位基因甲基化的不對(duì)稱(chēng)性，那么不同細(xì)胞的子代細(xì)胞之間應(yīng)該也會(huì)存在甲基化水平的差異。如果真是這樣，我們就可以通過(guò)測(cè)量單個(gè)細(xì)胞的甲基化，來(lái)追蹤它到底是從哪來(lái)的了。
為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，研究者給小鼠胚胎做了點(diǎn)手腳。在二細(xì)胞時(shí)期，研究者給兩個(gè)細(xì)胞中的一個(gè)注射了一些熒光標(biāo)記（異硫氰酸標(biāo)記的葡聚糖，F(xiàn)ITC-coupled dextran）。這樣，兩個(gè)細(xì)胞中只有一個(gè)會(huì)發(fā)光，它分裂出的子代細(xì)胞也會(huì)發(fā)光。
發(fā)光的胚胎細(xì)胞，比例尺100μm
當(dāng)這個(gè)二細(xì)胞時(shí)期胚胎發(fā)育到四細(xì)胞時(shí)期，研究者給四個(gè)細(xì)胞分別測(cè)序，結(jié)果不出所料，不同來(lái)源的細(xì)胞表現(xiàn)出的明顯的負(fù)相關(guān)性，可謂是一眼就能看出哪個(gè)是親生的。這表示，利用甲基化來(lái)探查早期胚胎細(xì)胞的出身，并不是個(gè)夢(mèng)。
四個(gè)細(xì)胞之間相關(guān)性，越紅越“親生”
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心朱平博士（現(xiàn)為中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病醫(yī)院血液學(xué)研究所副研究員）、郭紅山博士、侯宇博士，以及北京大學(xué)第三醫(yī)院博士生任一昕為該論文的并列第一作者；北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院湯富酬研究員、北京大學(xué)第三醫(yī)院?jiǎn)探芙淌?、閆麗盈研究員為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃、北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的資助。（作者信息來(lái)自北大生科院）
參考資料：
[1]Zhu, P., Guo, H., Ren, Y., Hou, Y., Do, J., Li, R., Lian, Y., Fan X., Hu, B., Gap, Y.,et al.(2017). Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos. Nature Genetics.
[2]Guo, H.,Zhu, P., Yan, L., Li, R., Hu, B., Lian, Y., Yan, J., Ren, X., Lin, S., Li, J., et al.(2014). The DNA methylation landscape of human early embryos. Nature511, 606-610.
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