Nature Genetics｜甘海云课题组发现亲代组蛋白遗传影响小鼠胚胎干细胞分化和早期胚胎发育

2023-09-05

9月4日晚，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所甘海云课题组在Nature Genetics发表了题为“亲代组蛋白的对称遗传保护小鼠胚胎干细胞分化中的命运”(Symmetric inheritance of parental histones contributes to safeguarding the fate of mouse embryonic stem cells during differentiation)的文章，该研究发现亲代组蛋白对称分配和遗传保证了小鼠胚胎干细胞的分化和早期小鼠胚胎发育。文章上线截图在多细胞生物的发育过程中，基因组通过DNA的半保留复制方式保证了遗传信息被精确地传递到子细胞中。表观遗传则是在基因组信息不变的情况下基因表达的状态发生了可遗传的变化。表观遗传信息决定了不同细胞的命运，是建立和维持细胞类型特异性的基础。对于真核细胞，基因组复制与表观信息的传递紧密相连。在DNA复制过程中，复制叉前的核小体需要解组装以保证复制体顺利前行。复制叉后两条新合成子链DNA则需要招募新合成组蛋白，并从母链循环回收亲代组蛋白用以重新组装核小体。亲代组蛋白循环和新组蛋白补充的过程被称为DNA复制偶联的核小体组装。近年来，甘海云研究员与合作者通过开发eSPAN (enrichment and sequencing of protein-associated nascent DNA）技术，发现了DNA复制过程中传递亲代组蛋白的分子伴侣，揭示了亲代组蛋白遗传的分子机制。Mcm2（Mcm2-7解旋酶的一个亚基）通过与Ctf4和Pola1的相互作用将亲代组蛋白传递到复制DNA的滞后链（1）。而Pole3和Pole4（前导链DNA聚合酶的两个亚基）则通过相互作用促进亲代组蛋白传递到前导链（2）。在DNA复制过程中Mcm2-Ctf4-Pola1和Pole3/Pole4保证了亲代组蛋白及其翻译后修饰在姐妹染色单体上的对称分配（图1）。然而，DNA复制中亲代组蛋白如何调控表观信息传递及其生物学意义尚不清楚。图1 DNA复制耦联的亲代组蛋白表观信息传递甘海云研究员课题组在前期发现MCM2功能的基础上，通过点突变（Mcm2-2A：Y81A/Y90A）获得缺失MCM2组蛋白结合功能的小鼠胚胎干细胞。研究发现，旧组蛋白（如H3K27me3）分配失衡，组蛋白修饰在全基因组范围的分布出现异常（如H3K27me3， H3K9me3和H3K4me3）（图2），胚胎干细胞向神经细胞分化潜能降低。进一步通过构建Mcm2-2A小鼠发现，纯合子小鼠早期胚胎发育缺陷，胚胎致死。亲代组蛋白对称分配和遗传对胚胎干细胞分化和早期小鼠胚胎发育具有保护作用。图2 MCM2-2A突变改变胚胎干细胞H3K27me3组蛋白修饰景观亲代组蛋白携带的修饰蕴含了大量的表观遗传信息（比如与细胞分化和个体发育密切相关的H3K27me3， H3K9me3和H3K4me3）。DNA复制偶联的核小体组装过程中，新生成的染色质包含大约等量的亲代组蛋白和新组蛋白，子细胞中被稀释了一半的组蛋白修饰通过重建恢复到原有水平，比如H3K27me3通过“读-写”机制实现重建。不同组蛋白修饰重建的速度不同，H3K4me3可实现快速重建，而H3K27me3和H3K9me3重建较慢，在一个细胞周期内无法完全恢复。在DNA复制过程中，亲代组蛋白分配失衡可能会导致不同子细胞中遗传了不同的组蛋白修饰分布景观，及其可能导致的转录水平改变。通过单细胞H3K27me3 CUT&Tag，单细胞RNA-seq和LARRY-Barcode谱系追踪技术发现，在向神经细胞分化的体系中Mcm2-2A胚胎干细胞具有向三胚层均分化的趋势。分析发现，H3K27me3分布的异质性增加，转录组异质性也增加（图3），与发育相关基因的转录水平与该基因位点的H3K27me3反向相关。亲代组蛋白分配失衡提高了子细胞群体的基因表达和表观状态异质性，影响了子细胞的命运决定。图3 Mcm2-2A突变提高细胞群体中H3K27me3组蛋白修饰景观的异质性在小鼠胚胎干细胞bivalent基因的启动子位点，组蛋白变体H3.3参与建立正确的H3K27me3分布模式。通过eSPAN发现在Mcm2-2A胚胎干细胞中H3.3表现出滞后链偏好。同时，H3K27me3分布的变化随着H3.3的改变而改变。亲代组蛋白分配失衡，不仅改变了缓慢重建组蛋白修饰的分布，也改变了组蛋白变体的定位，进而在全基因组范围影响组蛋白及其修饰的景观，从而改变了细胞的命运。该研究结果揭示亲代组蛋白遗传保证了组蛋白修饰景观的遗传，有助于胚胎干细胞分化和小鼠早期胚胎发育。该发现对于理解表观遗传信息在细胞分裂过程中在子代细胞中的分配和继承性具有重要科学意义和潜在贡献。原文链接https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41588-023-01477-w会议推荐会议详情会议名称：2023（第14届）细胞与基因治疗研讨会暨抗体工程与创新免疫治疗技术论坛主办单位：生物谷、梅斯医学、同济大学附属同济医院、南京可缘大会时间：9月22-23日大会地点：上海大会规模：1500人2010年至今，生物谷联合各合作单位已经顺利召开了13届细胞与基因治疗研讨会，与全球致力于细胞治疗行业同仁们一同成长沉淀，在提供行业信息交流平台的同时，也为基础研究提供了技术/产品等产业化的孵化平台。基于此，本届会议将继续以转化医学为切入点，以基础研究与临床应用相结合，针对细胞治疗的临床前沿研究、临床监管、治疗规范、细胞治疗安全性，免疫细胞新型疗法、实体瘤治疗、干细胞与癌症、抗体药物、核酸药物、基因编辑、肿瘤免疫治疗等热门议题进行讨论，诚邀国内外产学研医专家共聚，共绘产业发展新蓝图！长按识别二维码立即报名参会