責編丨迦漵
真核生物的DNA是通過染色質的形式儲存在細胞核中。147bp的DNA纏繞在組蛋白八聚體後形成核小體念珠結構是染色質的一級結構，之後經過不斷地摺疊堆積，最終形成了複雜的染色質三維結構。在哺乳動物中，染色質三維結構對基因的調控起著非常重要的作用。隨著高通量染色體構象捕獲技術（Hi-C）和高通量測序技術的快速發展，近年來，科學家們已經揭示了多種重要生物學事件發生過程中的染色體三維結構信息。2017年頡偉和劉江團隊背靠背報道了從小鼠受精後到著床前發育各個階段的胚胎染色質高級結構經歷了劇烈的重編程結構重組【1,2】。最近，劉江和陳子江團隊揭示了人類早期胚胎的染色體三維結構的動態變化過程中，CTCF蛋白對拓撲相關結構域（TAD）起著重要的調控作用（詳見BioArt報道：專家點評Nature丨劉江/陳子江合作團隊揭示人類精子和胚胎染色體三維結構建立的奧秘）【3】。
和正常的胚胎髮育模式不同的是，體細胞核移植 （SCNT）技術是將已經分化的體細胞移入去核卵母細胞內，使體細胞的染色質發生重編程，繼而重啟胚胎髮育過程並獲得完整個體的技術。雖然SCNT是目前為止唯一一種可以使體細胞獲得完整全能性的手段，但是由於在重編程過程中出現了各種表觀遺傳水平修飾的異常，使得SCNT胚胎的發育能力處於較低水平，也極大程度地限制了該項技術的應用前景。同濟大學生命科學與技術學院高紹榮團隊長期致力於小鼠SCNT胚胎髮育異常原因的探索。2016年通過對早期克隆胚胎進行卵裂球活檢，並結合單細胞RNA測序技術首次建立了植入前核移植胚胎髮育命運追蹤系統，發現了組蛋白去甲基化酶Kdm4b和Kdm5b分別對克隆胚胎2-細胞和4-細胞時期的發育阻滯起到關鍵作用【4】。兩年後，又通過對不同發育命運體細胞克隆胚胎進行全基因組DNA甲基化高通量測序分析，詳細地研究了小鼠克隆胚胎著床前發育過程中DNA甲基化修飾的重編程過程，並揭示了異常的DNA再甲基化（DNA re-methylation）是導致克隆胚胎著床後發育異常的關鍵因素【5】。染色質三維構象的改變被認為在重編程和細胞命運決定中發揮重要作用。但是，受制於小鼠SCNT胚胎樣本取材困難和Hi-C技術對細胞樣本起始量高的限制，小鼠SCNT植入前胚胎髮育過程中染色質三維結構的動態變化過程尚未被全面研究過。
2020年4月14日，同濟大學生命科學與技術學院高紹榮團隊與江賜忠團隊在Nature Communications雜誌在線發表了題為 Chromatin architecture reorganization in murine somatic cell nuclear transfer embryos 的研究成果。他們採用了經過優化的少量細胞全基因組染色質構象捕獲技術（sisHi-C），對小鼠SCNT胚胎髮育過程進行連續採樣，並詳細描繪了SCNT植入前胚胎染色質高級結構的動態變化過程。
通過數據分析發現，在體細胞核被注射到去核的卵細胞後，隨著典型三維染色質結構的消解，供核體細胞染色質的近距離相互作用優先解開，並迅速由間期轉化為類中期狀態。在這期間出現了一個非常有趣的現象，當供體細胞在去核卵母細胞中被人工激活1個小時後，基因組經歷了從類有絲分裂中期向類第二次減數分裂中期的轉變（圖1）。
圖1. SCNT胚胎基因組在短時間內由有絲分裂類中期轉變為減數分裂類中期
在SCNT胚胎髮育6小時進入擬原核期（對應正常受精胚胎PN3時期）後，重新出現了較弱的區室結構和拓撲相關結構域（TADs）信號，這很可能是再次退出中期的結果。隨後，TADs信號在一細胞晚期逐漸減弱，直到2細胞早期降到最低值，在2細胞晚期到8細胞卵裂期逐步重新建立，直到囊胚期成熟（圖2）。
圖2. SCNT胚胎髮育各個階段的TAD強弱變化
隨後研究人員將小鼠SCNT與正常受精胚胎髮育sisHi-C公共數據集進行比較分析後發現，SCNT胚胎在二細胞期的遠距離（>2 Mb）相互作用較正常受精胚胎明顯降低。同時，早期（2到8細胞期）受精胚胎與SCNT胚胎的區室結構及TADs也存在著明顯的差異。
前期的很多研究表明小鼠SCNT胚胎在合子基因組激活（ZGA）時期有大量的基因未能被正常激活。於是，研究人員想到染色質空間結構的異常是否會導致增強子與啟動子之間的相互作用無法成功建立？結果表明，在小鼠正常受精卵的ZGA時期的關鍵基因Zscan4d的啟動子與上游的超級增強子有著強烈的相互作用，而這種互作卻無法在SCNT胚胎中被觀察到（圖3）。這類基因的激活異常很可能就是SCNT胚胎髮育能力低下的原因之一。那麼，造成染色質高級結構的異常的原因究竟是什麼呢？研究人員證實這是由於供體細胞基因組中持續存在的組蛋白H3K9me3修飾無法被正常擦除造成的，通過在SCNT胚胎中過量表達組蛋白去甲基化酶Kdm4d來降低H3K9me3修飾水平， SCNT胚胎的染色質空間構象會趨向正常受精胚胎，且Zscan4d的啟動子與超級增強子的互作也得到了部分的修復
（圖3）。這說明H3K9me3修飾是核移植胚胎中染色質高級結構重編程的重要障礙，也證實了在胚胎基因表達調控過程中組蛋白修飾和染色質高級結構的協同作用。
圖3. SE-P互作異常影響ZGA相關基因表達，並能被過量表達Kdm4d部分糾正
綜上，這項研究對小鼠SCNT胚胎髮育過程中的染色質三維結構重塑進行了系統的研究，這也為今後進一步糾正SCNT胚胎髮育過程中的表觀遺傳屏障提供了新的思路。
圖4 本研究的模式圖
據悉，同濟大學生命科學與技術學院博士研究生陳墨、
朱乾書和李翀副研究員為本文共同第一作者，高紹榮教授、江賜忠教授和劉曉雨研究員為本文共同通訊作者。原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15607-z
參考文獻
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2. Ke, Y., et al., 3D Chromatin Structures of Mature Gametes and Structural Reprogramming during Mammalian Embryogenesis. Cell, 2017. 170(2): p. 367-381 e20.
3. Chen, X., et al., Key role for CTCF in establishing chromatin structure in human embryos.Nature, 2019. 576(7786): p. 306-310.
4. Liu, W., et al., Identification of key factors conquering developmental arrest of somatic cell cloned embryos by combining embryo biopsy and single-cell sequencing. Cell Discov, 2016. 2: p. 16010.
5. Gao, R., et al., Inhibition of Aberrant DNA Re-methylation Improves Post-implantation Development of Somatic Cell Nuclear Transfer Embryos. Cell Stem Cell, 2018. 23(3): p. 426-435 e5.
