单细胞测序揭示了人类胚胎DNA甲基化动态

　　2017年12月19日，北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心、生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬研究组和北京大学第三医院乔杰研究组合作在国际知名学术期刊《自然遗传学》上在线发表题为“Single-cell DNA Methylome Sequencing of Human Preimplantation Embryos”的文章。

　　在哺乳动物基因组上，胞嘧啶（主要是CpG二连体中的胞嘧啶）在DNA甲基化酶的催化下会发生甲基化。研究显示，DNA甲基化对多个生物学过程都至关重要，如基因表达抑制、转座子转录活性调节、X染色体的失活，以及基因组印记的维持等。北京大学汤富酬教授团队与北医三院乔杰教授团队长期密切合作，一直着力于探索人类发育过程中表观遗传学修饰层面的变化。该团队利用国际领先的微量细胞DNA甲基化组高通量测序技术，于2014年在国际上首次绘制了人类植入前胚胎发育过程中的DNA甲基化组图谱(Guo et al., 2014)，并进而于2015年首次绘制了人类原始生殖细胞的转录组和DNA甲基化组图谱(Guo et al., 2015)，为深入理解人类早期胚胎发育过程中的两轮DNA甲基化组重编程过程的主要特征提供了重要参考。

图一.人类早期胚胎发育过程中的DNA甲基化组重编程

　　为了进一步在单细胞分辨率研究DNA甲基化重编程过程的动态特征，该团队利用单细胞全基因组DNA甲基化组高通量测序技术，对人类植入前胚胎发育的各个关键阶段进行了单细胞、单碱基分辨率的系统研究，主要发现有：

　　（1）首次发现了人类植入前胚胎发育过程中存在大量特异性的DNA从头加甲基化。此前研究显示在着床前的早期胚胎发育过程中只有大规模的DNA去甲基化。而此次研究数据显示，精子和卵细胞结合受精之后，在人类早期胚胎大规模DNA去甲基化的同时，也存在大量高度特异的DNA从头加甲基化，这表明在人类早期胚胎第一轮DNA甲基化组重编程过程中，全局的DNA去甲基化‘净结果’实际上是高度有序的大规模DNA去甲基化和局部DNA加甲基化两种分子过程相互拮抗产生的动态平衡的结果。该研究同时发现，这些DNA从头加甲基化起主导作用的区域主要集中在DNA重复序列区域，暗示DNA从头加甲基化过程对抑制潜在的转座子转录活性、维持基因组稳定具有重要的调控功能。

图二.人类早期胚胎发育过程中两次DNA从头加甲基化区域的甲基化水平动态变化

　　（2）首次发现从二细胞胚胎阶段开始父母本基因组上的剩余甲基化水平发生逆转，在同一个单细胞中母本基因组上的剩余甲基化水平显著高于父本基因组上的剩余甲基化水平。通过杂合SNP信息精准区分每个单细胞中父本和母本基因组DNA甲基化情况，该研究发现父本基因组去甲基化的速度远比母本基因组快，胚胎发育到二细胞阶段以后，父本基因组的DNA甲基化水平远低于母本基因组的DNA甲基化水平，而且这一特征一直持续到着床后的胚胎阶段。首次揭示了即使在第一轮DNA甲基化组重编程结束后，在着床后的胚胎以及胚外组织中父母源的DNA甲基化仍然是不对称分布的，母本来源的DNA甲基化记忆要多于父本来源的DNA甲基化记忆，对早期胚胎发育的潜在影响可能更大。

图三.父母本DNA甲基化程度动态变化

　　（3）首次发现DNA甲基化在早期胚胎卵裂过程中的不对称分配可以用来追溯同一个胚胎中每个细胞的遗传谱系。

　　此项研究工作首次实现了人类早期胚胎发育过程中DNA甲基化组重编程在单细胞分辨率和单碱基精度的深入研究，新的研究结果对于我们进一步理解DNA甲基化在早期胚胎发育过程中的动态、精准调控，父母本基因组甲基化差异，以及每个胚胎内部不同单细胞间DNA甲基化组的异质性都具有非常重要的意义。

图四.通过DNA甲基化修饰的特点，追踪人类早期胚胎四细胞阶段的遗传谱系

　　北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心朱平博士（现为中国医学科学院血液病医院血液学研究所副研究员）、郭红山博士、侯宇博士，以及北京大学第三医院博士生任一昕为该论文的并列第一作者；北京大学生命科学学院汤富酬研究员、北京大学第三医院乔杰教授、闫丽盈研究员为该论文的共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、北京市科学技术委员会、国家高技术研究发展计划、北京未来基因诊断高精尖创新中心的资助。