玩轉(zhuǎn)Hi-C互作|揭示胚胎發(fā)育過程的重編程模式

英文題目：Chromatin architecture reorganization in murine?somatic cell nuclear transfer embryos

發(fā)表雜志：Nature Communications，2020年4月

影響因子：12.121

同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院高紹榮團(tuán)隊與江賜忠團(tuán)隊在Nature Communications雜志發(fā)表了Hi-C互作的相關(guān)研究成果。他們采用經(jīng)過優(yōu)化的少量細(xì)胞全基因組染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（sisHi-C），對小鼠SCNT胚胎發(fā)育過程進(jìn)行連續(xù)采樣，詳細(xì)描繪了SCNT植入前胚胎染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化過程。

研究背景

體細(xì)胞核移植（SCNT）技術(shù)是將已經(jīng)分化的體細(xì)胞移入去核卵母細(xì)胞內(nèi)，使體細(xì)胞的染色質(zhì)發(fā)生重編程，繼而重啟胚胎發(fā)育過程并獲得完整個體的技術(shù)。雖然SCNT是目前為止唯一一種可以使體細(xì)胞獲得完整全能性的手段，但是由于在重編程過程中出現(xiàn)了各種表觀遺傳水平修飾的異常，使得SCNT胚胎的發(fā)育能力處于較低水平，也極大程度地限制了該項技術(shù)的應(yīng)用前景。

2020年4月14日，同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院高紹榮團(tuán)隊與江賜忠團(tuán)隊在Nature Communications雜志在線發(fā)表了相關(guān)研究成果。他們采用經(jīng)過優(yōu)化的少量細(xì)胞全基因組染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（in situ Hi-C），對小鼠SCNT胚胎發(fā)育過程進(jìn)行連續(xù)采樣，并詳細(xì)描繪了SCNT植入前胚胎染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化過程，同時說明體細(xì)胞在移植到無核卵母細(xì)胞后，成熟的三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是如何被重新編程為全能狀態(tài)的。

研究方法

樣本：不同時期的胚胎細(xì)胞及SCNT流程見（圖1a）

測序方法：sis Hi-C測序、RNA-seq和ChIP-seq

圖1a SCNT的流程和不同時期的細(xì)胞樣本

 

研究結(jié)果

1.SCNT胚胎三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)

不同時期的胚胎的染色質(zhì)三維構(gòu)象見下圖，圖中分別展示了分辨率為100kb和40kb時的Hi-C互作矩陣。將CC(Cumulus cell)核注入無核卵母細(xì)胞后，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)TADs和Compartments迅速溶解，并在6-hpa胚胎中部分恢復(fù)。令人驚訝的是，1-hpi和1-hpa單細(xì)胞胚胎遠(yuǎn)端相互作用明顯較少，并顯示出一致的相互作用模式，這與中期染色質(zhì)組織狀態(tài)高度相似。

?圖1b

 

免疫熒光染色在1-hpi和1-hpa胚胎中檢測到紡絲裝置凝聚的染色體，這與其他階段胚胎中帶有核膜的間期染色質(zhì)形態(tài)不同（圖2a）。進(jìn)一步分析表明，1-hpi胚胎的P(s)曲線與小鼠ESC中期相似，在10Mb時迅速下降，而1-hpa胚胎的P(s)曲線與小鼠MII卵母細(xì)胞相似，在4Mb時突然下降(圖2b)。這表明當(dāng)供體細(xì)胞在去核卵母細(xì)胞中被人工激活1個小時（1-hpa）后，基因組經(jīng)歷了從類有絲分裂中期向類第二次減數(shù)分裂中期的轉(zhuǎn)變。

 

圖2 有絲分裂中期向類第二次減數(shù)分裂中期的轉(zhuǎn)變

 

2.SCNT胚胎發(fā)育過程中Compartments和TADs的重編程

除了1-hpi和1-hpa階段外，在所有階段的相關(guān)熱圖中均觀察到染色質(zhì)相互作用的明顯格子圖案（圖3a），每個熱圖下面的PC1以紅色和藍(lán)綠色分別指示Compartments A和Compartments B。

圖3a SCNT胚胎發(fā)育各個階段的Compartments強(qiáng)弱變化

SCNT胚胎發(fā)育6小時（6-hpa）進(jìn)入擬原核期（對應(yīng)正常受精胚胎PN3時期）后，出現(xiàn)了較弱的TADs（拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域）信號，并持續(xù)減弱至早期2細(xì)胞期，在2細(xì)胞晚期到8細(xì)胞卵裂期逐步重新建立，直到囊胚期成熟。

圖3b SCNT胚胎發(fā)育各個階段的TAD強(qiáng)弱變化

 

作者將小鼠SCNT與正常受精胚胎發(fā)育Hi-C公共數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)SCNT胚胎在二細(xì)胞期的遠(yuǎn)距離（>2 Mb）相互作用較正常受精胚胎明顯降低。同時，早期（2到8細(xì)胞期）正常受精胚胎與SCNT胚胎的Compartments及TADs也存在著明顯的差異。

?圖4 正常胚胎和SCNT胚胎染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重組的差異

 

研究表明小鼠SCNT胚胎在合子基因組激活（ZGA）時期有大量的基因未能被正常激活。于是，作者探究了染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的異常是否會導(dǎo)致增強(qiáng)子與啟動子之間的相互作用無法成功建立。在早2細(xì)胞胚胎，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵基因Zscan4d的啟動子與上游的超級增強(qiáng)子的SE-P相互作用在受精卵中很明顯，而在SCNT胚胎中則不存（圖5）。

 

圖5 SE-P互作異常影響ZGA相關(guān)基因表達(dá)

 

研究證實這是由于供體細(xì)胞基因組中持續(xù)存在的H3K9me3修飾無法被正常擦除造成的，通過在SCNT胚胎中過量表達(dá)甲基化酶Kdm4d來降低H3K9me3修飾水平，SCNT胚胎的染色質(zhì)空間構(gòu)象會趨向正常受精胚胎，且Zscan4d的啟動子與超級增強(qiáng)子的互作也得到了部分的修復(fù)（圖6e）。

?圖6e Zscan4d啟動子與其相鄰區(qū)域的相互作用頻率

 

討論

SCNT胚胎CCs表現(xiàn)為有成熟的Compartments和TADs，注入去核卵母細(xì)胞后Compartments和TADs迅速溶解。Compartments和TADs在1-hpi和1-hpa胚胎的有絲分裂和次級減數(shù)分裂中期分別缺乏，在早期2細(xì)胞胚胎中出現(xiàn)，后期存在，在ICM期成熟。H3K9me3修飾是SCNT胚胎中染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)重編程的重要障礙，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的重編程差異導(dǎo)致了對發(fā)育至關(guān)重要的調(diào)控基因的SE-P循環(huán)的丟失。

?圖7 SCNT胚胎發(fā)育過程中染色質(zhì)三維動態(tài)結(jié)構(gòu)的原理模型

參考文獻(xiàn)

Chen Mo,Zhu Qianshu,Li Chong et al. Chromatin architecture reorganization in murine somatic cell nuclear transfer embryos.[J] .Nat Commun, 2020, 11: 1813.