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日本高清生活片:张勇、高绍荣、刘文强合作成果发表于《自然·细胞生物学》,建立亲本特异性调控功能的预测体系

来源:新闻中心、生命科学与技术学院   时间:2022-04-29  浏览:

4月28日晚,日本高清生活片生命科学与技术学院张勇教授与高绍荣教授课题组合作在《自然·细胞生物学》(Nature Cell Biology)上在线发表了题为《等位基因特异性H3K9me3和DNA甲基化共同标记的富含双核甘酸(CPG)区域作为着床前胚胎中潜在的印迹控制区域》(Allele-specific H3K9me3 and DNA methylation co-marked CpG-rich regions serve as potential imprinting control regions in pre-implantation embryo)的论文,报道了小鼠植入前胚胎发育过程中DNA甲基化的维持需要H3K9me3,并在H3K9me3和DNA甲基化共同标记的双核甘酸富集区域(CHM)鉴定出22个潜在的印记控制区域。研究揭示出在植入前胚胎发育过程中存在的亲本特异性CHM具有重要生物学功能,并且拓展了哺乳动物早期胚胎发育过程中亲本特异性调控的范围。

H3K9me3是一种常见的抑制性组蛋白修饰。H3K9是指组蛋白H3上的第九个赖氨酸,该赖氨酸可以被甲基化,加一个甲基就是me1,两个甲基me2,最多三个甲基me3。主要与异染色质的形成有关,在成体细胞中大量存在于逆转座子及部分基因启动子区域,通常被认为是细胞间命运转换的壁垒。

高绍荣介绍,哺乳动物发育过程中,DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传修饰,在父母源基因组经历了不同模式的重编程。一些亲本间差异的表观遗传修饰能够逃脱早期胚胎发育过程的重编程,其中最典型的是印记控制区域(imprinting control regions, ICRs)。ICR在胚胎发育过程中发挥重要作用,其表观遗传修饰的异常会导致胚胎发育的异常。目前在小鼠中仅发现21个ICR,识别新的亲本表观遗传特异的功能性区域面临以下挑战:依赖于品系间单核苷酸多态性(SNP),识别亲本间表观遗传异质性的识别方法分辨率低,且假阳性率高,难以预测特定基因组区域是否具有等位基因特异性的调控功能。

高绍荣、张勇近年来合作揭示了小鼠早期胚胎发育过程中H3K4me3、H3K27me3、H3K9me3及核小体定位的建立过程及规律。课题组通过对已发表数据的重新分析,发现小鼠植入前胚胎中DNA甲基化和 H3K9me3在双核甘酸富集区域呈高度正相关,而且H3K9me3修饰有助于这些区域逃脱DNA去甲基化。研究人员开发了计算生物学工具PCAR去识别共同标记H3K9me3和DNA甲基化的双核甘酸富集区域(CHM),并发现富集区是小鼠植入前胚胎中DNA甲基化维持的热点区域。

为了高分辨率地探究亲本间富集区(CHMs)之间的差异,研究人员在孤雌、孤雄胚胎中产生了单亲本的H3K9me3和DNA甲基化数据,鉴定出1,279个亲本特异性富集区(asCHM),其中包括19个已知的印记控制区域。与这些印记控制区域类似,亲本特异性富集区中近一半从配子中继承亲本特异的表观遗传信息;与印记控制区域不同,大部分亲本特异性富集区在胚胎植入后丢失表观遗传亲本特异性。研究人员通过特殊手法敲降H3K9me3,证实降低其水平,减弱了亲本特异性富集区亲本间DNA甲基化水平的不平衡。

进一步,研究人员建立了亲本特异性调控功能的预测体系,从亲本特异性富集区中鉴定出22个类似ICR的区域(ICRLR)。研究人员选择了5个长度较短的进行功能验证,发现这些ICRLR的敲除造成了囊胚发育迟缓,同时它们潜在靶基因的亲本特异性表达丢失,其中mCHM_177敲除后的表型尤其明显。研究人员发现父源特异性mCHM_177的敲除严重影响胚胎发育,而母源特异性敲除几乎没有影响,表明其作用机制与已知的母源特异性ICR类似,可以通过控制周围基因的亲本特异性表达影响胚胎发育(图1)。该研究揭示了在植入前胚胎发育过程中存在的亲本特异性CHM具有重要生物学功能,并且拓展了哺乳动物早期胚胎发育过程中亲本特异性调控的范围。

图1  ICRLR功能验证

张勇教授实验室的博士生杨绘、余招伟,高绍荣教授实验室的博士生柏丹丹、李延鹤博士为本文的共同第一作者,张勇教授、高绍荣教授、刘文强研究员为本文的共同通讯作者。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41556-022-00900-4



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