胚胎发育过程的表观遗传调控研究进展

赵柯郁,苏丽娅

(内蒙古医科大学附属医院临床医学研究中心 内蒙古医学细胞生物学重点实验室,呼和浩特 010050)

胚胎发育是有性生殖过程中十分重要的阶段,也是一个令无数科学家和学者特别着迷的阶段。卵子与精子结合受精,形成早期胚胎并从输卵管移动到子宫,在此过程中伴随着卵裂形成囊胚并最终植入子宫内膜。随着囊胚继续发育,经过复杂的生理过程分化形成各类组织及器官,最终一个新生命诞生[1-2]。整个过程中,除了基因本身对胚胎发育的决定因素外,表观遗传学(epigenetics)作为重要调控机制,从早期胚胎形成、发育到植入后胎盘、胎儿组织以及器官等形成与分化的过程中都发挥关键的作用[3]。近年来,DNA甲基化、组蛋白修饰以及染色质可及性等表观遗传修饰在胚胎发育过程中的调控机制研究取得了诸多突破,本文就不同表观遗传修饰类型研究进展进行阐述与讨论。

1 表观遗传学

经典遗传学概念中,基因通过复制将遗传信息由亲代传递到子代是遗传性状向后代传递的基础,然而研究发现,不同组织和临床疾病中很多遗传多样性无法完全利用经典遗传定律解释[4]。表观遗传学概念由英国生物学家Waddington[5]提出,表观遗传学通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质高级结构和非编码RNA等调控基因表达而不改变基因序列[5-6]。表观遗传修饰依靠表观遗传学标记和相关记忆因子稳定保留并且将独有的表达模式传递给子代,不仅可以在生殖细胞或者正常分化细胞中具有遗传记忆,在胚胎细胞遗传建立中同样发挥作用。在终末分化的生殖细胞中,包括DNA甲基化和组蛋白修饰在内的表观遗传修饰都可以影响染色质可及性以及染色质3D组织结构,它们可以在受精后被擦除变为基本状态,使细胞获得多能性保障,受精卵顺利发育为新的个体[7-8]。Wang等[9]利用单细胞技术对小鼠早期胚胎进行了深入分析,发现来自亲本记忆相关区域的染色质可及性在受精卵基因组激活期间被擦除,并对组蛋白修饰、DNA甲基化、重复序列、转录因子(transcriptionfactor,TF)以及可能的染色质高级结构所发挥的功能进行重新配置以确保受精卵基因组被正确激活。胚胎发育阶段表观遗传修饰的变化在生殖细胞遗传、基因印记、X染色体失活等决定表型的现象中具有重要的作用[10-11]。

2 表观遗传修饰与胚胎发育

2.1 DNA甲基化与胚胎发育

DNA甲基化是最早被发现和研究最广泛的表观遗传修饰,DNA甲基化可以阻止TF与DNA结合来抑制转录,也可以促进甲基结合域蛋白的募集进行染色质重塑[12-13]。腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl-L-methionine,SAM)作为甲基供体通过一系列反应为胞嘧啶残基第五号碳增加一个甲基基团形成5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)。DNA甲基化常发生在CpG(cytosine-phosphate-guanine)岛,也偶尔发生在CpA(cytosine-phosphate-guanine)或CpT(cytosine-phosphate-thymine)[14]。DNA甲基化发生时,依赖核内SAM和α-酮戊二酸(alpha-ketoglutarate,α-Kg)水平,SAM通常来源于叶酸和蛋氨酸等一碳代谢途径,核α-Kg来源于谷氨酰胺或三羧酸循环,相关一碳代谢可以影响SAM的浓度同时也可以影响后续DNA甲基化进程[15-17]。目前研究发现的DNA甲基化包含两个过程:由DNMTs参与的甲基化过程;主要由TET催化的去甲基化过程[18-19]。甲基化与去甲基化过程是DNA甲基化重编程的基础,可以确保植入前胚胎的顺利发育[20]。DNA甲基化与去甲基化过程对胚胎发育十分重要,甲基化或去甲基化异常会影响胚胎发育以及导致严重的遗传疾病。

DNA甲基化在胚胎发育过程中处于不断动态变化之中,随着胚胎发育阶段的不同DNA甲基化水平以及相关酶也随之变化[21]。受精后短时间内去甲基化过程便开始,配子的表观遗传修饰会被大规模擦除,到囊胚期DNA甲基化水平到达最低点[22]。胚胎植入后,在与子宫内膜的相互作用下,开始重新建立DNA甲基化并恢复到最初的高水平[23]。Zhu等[24]利用单细胞测序技术对早期胚胎进行了检测,发现全基因组甲基化重塑促进4细胞期胚胎的遗传谱系重建。DNA甲基化重塑过程中主要由DNMT3A、DNMT3B参与催化从头甲基化的过程,有丝分裂期甲基化由DNMT1维持。DNA甲基化的擦除可以在缺乏DNMT时被动发生,也可在TET参与的氧化催化反应下进行主动甲基化擦除[25-26]。DNMT与TET在胚胎发育中也是动态变化的,并且影响DNA甲基化水平。小鼠受精后DNMT3A 和 DNMT1在一细胞阶段活化并催化从头甲基化,而在随后的阶段内,甲基化区域开始逐渐去甲基化。在人的胚胎发育中,受精后开始去甲基化过程,到植入前外胚叶甲基化水平约为25%,在植入后退出多能性的过程中,去甲基化过程被逆转,TET1/2迅速下调,DNMT3A/B重新表达并在胚胎发育中发挥作用[19,27]。退出多能性后DNA甲基化水平呈振荡上升的过程,这种现象可能与DNMT和TET 两种酶的活性变化、短暂的增强子和外显子转录有关,而这个过程的存在可能会影响早期细胞命运决定[28-29]。Passaro等[30]在Yes关联蛋白(Yes-associated protein,YAP)敲减的小鼠胚胎干细胞中发现Yap敲减后影响Dnmt3A的表达进而导致胚胎发育停滞,并且Yap可能是通过某种间接而非直接的机制调控Dnmt3A表达。在Uysal等[31]的研究中,当小鼠胚胎分别沉默Dnmt1或Dnmt3A基因之后,Dnmt1敲低组甲基化水平下降,Dnmt3A敲低之后甲基化水平上升,胚胎被阻滞在两细胞阶段或发生退化。可见Dnmts在DNA甲基化重编程以及胚胎正常发育过程中均发挥重要的作用,而对Dnmt如何在特定位点募集以及不同Dnmt的活性调节机制仍有待深入研究。

DNA甲基化和去甲基化除了通过动态变化调控基因表达维持胚胎正常发育外,其中一部分等位基因甲基化模式由亲代遗传而来。基因组印迹是哺乳动物正常发育所必需的修饰,基因印记异常会引起癌症、糖尿病以及多种遗传疾病[32-36]。基因印记特点是基因呈亲源依赖性的单等位基因表达,这些聚集的基因由每个印记区域的顺式作用印记控制区域(imprinting controlregion,ICR)共同控制[37-38]。每个ICR包含生殖细胞来源的差异甲基化区域(differentially methylated region,DMR)调控印记基因的表达。这些差异甲基化在生殖细胞中被擦除,而在合子阶段会再次重新建立并且在子代体细胞中稳定保持。ZFP57是一种KRAB锌指蛋白,是哺乳动物中重要的具有母源-合子效应的基因,在DNA甲基化维持中发挥重要作用。在人类和鼠中,ZFP57均可以保持基因组印记。Jiang等[39]发现小鼠ZFP57突变型胚胎中ZFP57靶向的印记基因中ICR的DNA甲基化发生缺失,引起表达改变,这种改变与含无甲基化ICR染色体上的等位基因表达类似。ICR的DNA甲基化通过ZFP57依赖通路,并在DNMTs催化下维持,此外在ZFP57缺失的情况下,TET的缺失无法阻止DNA去甲基化。DNMT1、DNMT3A和DNMT3B均在ICR的DNA甲基化维持中发挥作用,分别敲除3种酶后,发现3种酶在ICR的DNA甲基化过程中具有同样重要的作用[40]。测序技术的应用描绘出了细胞和组织不同发育阶段的甲基化精细图谱,填补了很多重要的知识沟壑,并且提供了5mC动态变化和分布的全面概述。结合结构基因组学,DNMTs的募集和激活在DNA甲基化对基因调控过程中的影响也逐渐被阐明。但是它们被翻译的调控机制以及在基因中其他部分的作用尚待阐明。

2.2 组蛋白修饰

组蛋白是核小体的核心组成部分,H2A、H2B、H3和H4各两个组成八聚体,并与DNA组装成的核小体是染色质基本功能单位。组蛋白化学修饰是在植入前胚胎形成过程中影响转录调控因子与染色质相互作用从而调节基因表达的关键调控事件[3,41]。组蛋白N末端尾部经过翻译后修饰,包括乙酰化、磷酸化、甲基化和泛素化,在常染色质和异染色质的组织和动态变化中起重要作用[42-43]。虽然组蛋白修饰在胚胎中的研究已经有很多成果,但是随着染色质免疫共沉淀测序技术的发展,已经描绘出组蛋白修饰全基因组图谱。其中,与转录活性相关的H3第4号位赖氨酸3甲基化(H3K4me3),与染色质失活相关的H3第27号位赖氨酸3甲基化(H3K27me3),以及与染色质开放相关的H3第27号位赖氨酸乙酰化(H3K27ac),已在植入前胚胎中进行了较深入描述[25,44]。研究发现,小鼠植入前胚胎包括H3第23位赖氨酸乳酸化(H3K23la)、H3K18la以及泛乳酸化水平在卵细胞到植入前胚胎呈动态变化趋势,低氧状态下乳酸脱氢酶的抑制会降低乳酸产物的形成,同时降低组蛋白乳酸化水平以及造成发育迟缓[45]。Galle等[46]对组蛋白乳酸化的研究中发现,H3K18la主要分布在包括管家基因在内的高表达基因促进子(promoters)中活性的CpG岛,与H3K27ac和H3K4me3相同,H3K18la水平与基因表达为正相关的关系。组蛋白的甲基化、乳酸化和乙酰化等修饰均为调控基因表达的重要修饰类型,并且与代谢状态密切相关。修饰与代谢的交互作用以及影响机制的深入研究可能会对细胞发育、分化以及疾病发生有更深入的了解。

与DNA甲基化相似,组蛋白修饰在胚胎发育过程中同样是动态变化的,其中,H3是目前研究最多且最深入的。H3家族包含多个变体,H3.1和H3.2以一种复制耦合方式通过染色质组装因子(chromatin assembly factor-1,CAF-1)组蛋白分子伴侣复合物作用下介导染色质组装[47]。H3.3是H3家族中最为保守的非着丝粒变体[48-49]。在受精后,作为活性促进子标记的H3K4me3在父本基因被快速擦除,而这个标记会在合子阶段重新建立,而母本H3K4me3是以一种非典型的模式覆盖促进子更广的区域以及远端区域[50]。典型的H3K4me3修饰形成在两细胞阶段,主要在促进子区域建立,而非典型的H3K4me3模式在成熟期卵母细胞中建立并且在合子阶段不会被替换,这种非典型模式的机制和功能还有待阐明[8]。H3K9me3还会在促进子以及长末端重复序列(long terminal repeats,LTRs)建立动态模式,亲本基因组在受精后在Chaf1a蛋白参与下H3K9me3大范围擦除与建立,而母本基因组的H3K9me3修饰水平要远高于父本基因组,且这种父母本的不均衡性一直维持到囊胚时期。随着整体DNA甲基化水平的降低,在Chaf1a等因子作用下DNA甲基化会被H3K9me3逐步取代以实现对LTR的沉默调控。在此过程中囊胚特异的H3K9me3标记的LTR可能由 TRIM28和KRAB-ZNFs参与,转录因子DUX4和其他KRAB-ZNFs则可能参与调控8-细胞特异的H3K9me3标记的LTR[51-52]。H3K27me3由聚梳抑制复合物2(Polycomb repressive complex2,PRC2)参与的组蛋白修饰,PRC2和H3K27me3均是进化保守的表观遗传调节器,主要抑制关键发育基因表达并维持细胞特性[1]。在小鼠早期胚胎中,母本的H3K27me3修饰区域被发现作为基因印记的标记并控制了一小部分父系特异性基因,类似于DNA甲基化介导的印记[53]。H3K27me3会维持母本区域直到囊胚期,在这期间H2AK119ub1与H3K27me3高度共存,聚梳抑制复合物1(Polycomb repressive complex1,PRC1)介导的组蛋白H2A第119位赖氨酸单泛素化(H2AK119ub1)的形成赋予了可遗传的H3K27me3修饰。从两细胞阶段开始,H2AK119ub1先于H3K27me3逐渐积累在典型的Polycomb靶标上,当PCR1复合物组分被敲减,H2AK119ub1会减少并导致卵母细胞基因的一个亚群出现H3K27me3缺失并不可逆转地由胚胎遗传,这进一步表明H3K27me3在合子和植入前胚胎发育中的关键作用[54-55]。另一方面也说明,组蛋白修饰并非单独作用,而是相互作用,形成一个复杂的组蛋白修饰网络,决定基因的表达模式,而其中复杂的调控网络还需要进一步阐明。

3 结论

表观遗传修饰作为发育中重要的调控方式,参与从生殖细胞到胚胎发育再到人的生长、衰老和死亡等过程。表观遗传修饰包括多种修饰类型,每种类型之间并不是相互独立的,比如近年研究较多的染色质可及性、染色质开放与关闭与DNA甲基化水平和组蛋白修饰具有密切关系[56]。DNA甲基化作为被研究最为广泛的表观遗传修饰,在胚胎发育不同阶段的动态变化中发挥重要的生理功能,包括影响多能性、基因特异性表达等[57]。DNMT3A、DNMT3B和 DNMT3L活性与甲基化修饰和重编程密切相关,但基因组特定区域的募集和活性的调控机制以及如何影响基因组的可及性还需要深入探索。组蛋白作为染色质重要组成部分,在染色质可及性与3D结构等方面发挥重要作用。H3甲基化和乙酰化已经被发现在胚胎发育中动态变化并与基因印记以及表观修饰遗传等相关。H2A是还有待深入研究的组蛋白,目前发现其发挥多种功能,包括在表观隔代遗传中可能扮演“place-holder”的角色,但仍有很多功能未被详细阐释[58-59]。随着研究的深入也常有颠覆性的成果出现,研究者通过RNAPII的ChIP-seq和质谱没有发现缺失H3K4me3后导致转录起始被抑制的证据,发现H3K4me3在细胞体内是通过转录暂停-释放过程来调节基因表达,而不是以往认为的促进基因转录起始,表明组蛋白依然有更多的功能等待被发现[60]。在胚胎复杂发育过程之下,组蛋白动态变化与转录相关蛋白的募集和激活的具体机制、组蛋白是否还发挥其他功能以及其他修饰是否参与这一过程依然是目前研究需要突破的问题。此外,表观遗传学修饰之间并非独立,而是存在复杂且尚需深入研究的互作网络。

本文对DNA甲基化与组蛋白修饰两种重要的表观遗传修饰类型与胚胎发育进行了详述,并未囊括所有表观遗传类型。随着表观遗传修饰的进一步深入,将为解读生命孕育奥秘、丰富产前筛查诊断指标、遗传疾病治疗和优生优育方面提供更多理论成果。