Science丨胚胎发育的异染色质重编程过程对细胞命运的决定

责编丨迦溆

胚胎发育的“沙漏模型” (hourglass model，上图) 是指在胚胎发育早期，各个物种差异明显；但到胚胎发育中期，物种间的差异趋同；然后到胚胎发育的后期又趋异发育【1】。在不同物种早期胚胎发育阶段，正确的器官发生对生命的延续至关重要，尽管这些物种的分化发生在几百万年前，但其背后的分子过程非常类似 ，并将此阶段称为种系特征性发育阶段 (phylotypic stage)【1】。近年来，随着表观基因组技术的不断进步，人们对哺乳动物早期胚胎发育过程中表观遗传重编程研究取得了巨大突破，但检测灵敏度有限，细胞数目少等因素依然制约了在种系特征性发育阶段染色质动力学变化的研究。

异染色质修饰H3K9me3是一种抑制性的组蛋白修饰，在成体细胞中大量存在于基因组的重复富集区域，包括着丝粒和端粒区域，使得异染色质的蛋白编码基因发生沉默【2, 3】。前期研究表明H3K9me3控制了基因组的稳定性和分化，并通过ULI-NChIP-seq技术建立了早期胚胎发育及植入后胚胎细胞命运决定过程中异染色质修饰H3K9me3的图谱【4】。然而尚缺乏在胚层阶段以及细胞谱系建立过程中，全异染色质重编程过程的研究。在iPS细胞诱导及体细胞核移植(SCNT)的过程中人为去除H3K9me3修饰，可以极大的提高重编程效率【5】，因此理解在正常发育过程中， H3K9me3重编程如何决定细胞命运具有重要意义。

前不久，美国宾夕法尼亚大学的Kenneth S. Zaret课题组在Science发表了题为H3K9me3-heterochromatin loss at protein-coding genes enables developmental lineage specification的研究，强调了H3K9me3修饰对器官的发生以及谱系的维持至关重要。

研究人员利用小鼠胚胎内胚层和肝脏、胰腺谱系分析了srHC (sonication-resistant heterochromatin) 和H3K9me3的动态变化 (resistance to sonication即抗声波降解法，被认为是异染色质状态的indicator，可以通过一种生物物理方法 (gradient-seq) 区分srHC和常染色质的H3K9me3和H3K27me3【6】)。文中采用蔗糖梯度依赖的srHC-seq方法发现在内胚层细胞、肝实质细胞和成熟的beta细胞中，其srHC在基因组中存在相似部分。在内胚层分化时，srHC呈现明显的动态变化，肝实质细胞和成熟beta细胞发育过程中，分别有5979和4979个基因解压缩，而1630和5632个基因获得srHC。GO分析，在成年的功能基因中srHC被移除。研究人员绘制了在胚胎发育后期不同阶段的H3K9me3修饰图谱，通过比较其在内胚层、中胚层、原肠胚早期和分化细胞的变化发现，H3K9me3修饰更多的集中到内胚层和中胚层基因组，启动子和转录终止位点。对谱系发育的不同阶段H3K9me3修饰分析表明，当内胚层细胞分化成肝脏和胰腺的祖细胞时，H3K9me3修饰显著减少，同样的变化过程也适应于中胚层谱系。

H3K9me3 和 H3K27me3修饰可独立或结合存在于srHC和开放的染色质中。与异染色质修饰H3K9me3不同，H3K27me3修饰在胚胎内胚层、肝实质细胞和成熟的beta细胞不同的基因和基因间隔区呈相似分布。值得注意的是，在肝脏和胰腺谱系终端分化的细胞中H3K27me3修饰与srHC大量缺失。同时，检测到H3K27me3修饰在发育过程中逐渐减少，且与H3K9me3修饰互补，共同控制特定基因的发育沉默。总之，异染色质修饰H3K9me3在胚层细胞中短暂增加以抑制与成熟细胞功能相关基因的表达，并在胚胎分化成不同器官时被移除。

组蛋白甲基转移酶Setdb1、Suv39h1和 Suv39h2是H3K9me3修饰所需要的【7】，研究人员利用内胚层特异的条件性敲除Setdb1小鼠，对其e11.5的肝脏分析发现，Setdb1调控肝细胞分化，并构建了内胚层特异的条件性敲除Setdb1、Suv39h1和 Suv39h2的小鼠品系 (TKO)。蛋白质分析发现Setdb1、Suv39h1和 Suv39h2的缺失显著降低了H3K9me3，但H3K27me3和H3K9me2无明显变化。在一月龄，与正常小鼠相比，TKO小鼠体型偏小（下图），体重减少了约3倍。基因组分析发现srHC和H3K9me3显著减少，电镜观察发现浓缩染色质大量缺失（下图）。一月龄小鼠肝脏的RNA-seq数据显示在TKO小鼠肝脏中非肝脏基因的表达增加，无法诱导成熟肝细胞基因如MUPs的表达。在早期发育过程中，H3K9me3异染色质修饰缺失导致肝细胞成熟受损，并且不适当谱系基因的表达在出生后一个月仍存在。

这项研究分析了siHC和H3K9me3的分布，发现在早期未分化的内胚层和中胚层细胞的基因体中存在较高的异染色质，在细胞分化过程中siHC和H3K9me3显著减少。H3K9me3相关甲基转移酶缺失的小鼠模型表明，正确的异染色质建立对细胞分化至关重要。这项研究强调了染色质表观遗传修饰在胚胎发育过程中控制细胞命运的重要性。同时为异染色质H3K9me3修饰与homeobox蛋白在胚胎发育的“沙漏模型”中相互作用，控制种系特征性发育阶段 (phylotypic stage) 特定基因的活性以确保细胞谱系的正确建立提供了有力的理论基础。

原文链接：

http://science./content/363/6424/294.abstract

参考文献

1.    Irie, N. and S. Kuratani, The developmental hourglass model: a predictor of the basic body plan? Development, 2014. 141(24): p. 4649-55.

2.    Gilbert, N., et al., Chromatin architecture of the human genome: gene-rich domains are enriched in open chromatin fibers. Cell, 2004. 118(5): p. 555-66.

3.    Martinez, P. and M.A. Blasco, Telomeric and extra-telomeric roles for telomerase and the telomere-binding proteins. Nat Rev Cancer, 2011. 11(3): p. 161-76.

4.    Wang, C., et al., Reprogramming of H3K9me3-dependent heterochromatin during mammalian embryo development. Nat Cell Biol, 2018. 20(5): p. 620-631.

5.    Wen, B., et al., Large histone H3 lysine 9 dimethylated chromatin blocks distinguish differentiated from embryonic stem cells. Nat Genet, 2009. 41(2): p. 246-50.

6.    Becker, J.S., et al., Genomic and Proteomic Resolution of Heterochromatin and Its Restriction of Alternate Fate Genes. Mol Cell, 2017. 68(6): p. 1023-1037 e15.

7.    Peters, A.H., et al., Loss of the Suv39h histone methyltransferases impairs mammalian heterochromatin and genome stability. Cell, 2001. 107(3): p. 323-37.