組蛋白H3K4me3甲基化修飾與哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育

張立蘋(píng) 林鄭云 華再東

摘要：表觀遺傳調(diào)控是細(xì)胞分化過(guò)程中的主要機(jī)制之一，尤其在生殖細(xì)胞分化調(diào)控中尤為重要。而組蛋白甲基化修飾是表觀遺傳信息的重要載體和生命活動(dòng)的重要調(diào)控因子，對(duì)細(xì)胞的狀態(tài)和胚胎的發(fā)生與發(fā)育具有決定性的作用，就組蛋白H3K4me3甲基化修飾與哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：組蛋白;甲基化;表觀遺傳學(xué);動(dòng)物胚胎;細(xì)胞分化;早期發(fā)育

中圖分類號(hào)：Q344 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1007-273X（2019）07-0016-02

近年來(lái)，隨著表觀遺傳學(xué)研究的深入，其已經(jīng)成為當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。越來(lái)越多的研究結(jié)果表明，表觀遺傳學(xué)因素在細(xì)胞的分裂增殖過(guò)程中起著重要的調(diào)控作用。

哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育是一個(gè)受到嚴(yán)密控制的過(guò)程，單個(gè)受精卵通過(guò)這一過(guò)程生成大量功能迥異的細(xì)胞，在胚胎發(fā)育的早期，細(xì)胞的分裂和分化最為活躍，如果表觀遺傳修飾發(fā)生了異常，可能會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育相關(guān)基因的異常表達(dá)，進(jìn)而影響胚胎發(fā)育，嚴(yán)重者甚至造成流產(chǎn)、死胎及胎兒畸形等。因此，哺乳動(dòng)物早期胚胎的發(fā)育也與表觀遺傳因素有關(guān)，其中細(xì)胞分化過(guò)程中的組蛋白甲基化修飾在其中的影響不可忽視。本研究跟蹤了近年來(lái)表觀遺傳學(xué)中方法和手段在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育中取得的進(jìn)展，明確了目前表觀遺傳學(xué)研究發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)及表觀遺傳學(xué)在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育中的研究前景。

1 ?哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過(guò)程中組蛋白甲基化修飾

表觀遺傳學(xué)的概念起源于對(duì)進(jìn)化和發(fā)育的研究，早期的表觀遺傳學(xué)涵蓋了個(gè)體從受精卵到發(fā)育成熟過(guò)程中的所有事件，隨著對(duì)遺傳物質(zhì)的鑒定和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的解析，表觀遺傳學(xué)的研究形成了DNA甲基化、組蛋白及其修飾、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA等幾個(gè)主流調(diào)控[1]。

組蛋白修飾是指在組蛋白的氨基酸殘基上所進(jìn)行的諸如甲基化、乙?；⒎核鼗约鞍投辊；纫幌盗懈淖円约敖M蛋白本身在配子或胚胎形成過(guò)程中的變化，從而影響下游蛋白的表達(dá)及功能的發(fā)揮，進(jìn)而決定細(xì)胞的狀態(tài)，影響胚胎的發(fā)生和發(fā)育，是表觀遺傳信息的重要載體和生命活動(dòng)的重要調(diào)控因子。

組蛋白甲基化修飾是由組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶（Histone melthyltransferases，HMT）催化，常發(fā)生在H3、H4組蛋白N端賴氨酸或精氨酸殘基，包括單甲基化、雙甲基化和三甲基化，參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、基因組完整性維持及表觀遺傳模式的傳遞，是表觀遺傳學(xué)重要調(diào)控機(jī)制之一，在胚胎的早期發(fā)育過(guò)程中扮演著重要的角色[2，3]，在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)生和發(fā)育中發(fā)揮著非常重要的作用，如H3K4me3（活化模式）或H3K27me3（抑制模式），它們分別標(biāo)志著不同父系基因啟動(dòng)子。活化模式為精子形成過(guò)程中基因表達(dá)所需，而抑制模式則扮演著調(diào)節(jié)子的角色[4]。研究表明，小鼠胚胎早期WDR82（HMT復(fù)合體的亞基之一）基因沉默，將引起轉(zhuǎn)錄因子POU5F1基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)H3K4me3減少，并伴隨著胚泡數(shù)量數(shù)目減少、胚胎細(xì)胞凋亡及胚胎發(fā)育遲緩等現(xiàn)象發(fā)生[5]。

組蛋白修飾的意義在于在不改變基因組信息的前提下通過(guò)調(diào)節(jié)染色質(zhì)的緊縮程度，從而最終達(dá)到調(diào)控基因表達(dá)的目的。

卵母細(xì)胞的成熟關(guān)系到受精和早期胚胎發(fā)育的順利進(jìn)行，是生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的研究方向之一。2016年，Xu等[6]研究證實(shí)組蛋白修飾水平的穩(wěn)定對(duì)卵母細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組穩(wěn)定和進(jìn)一步成熟具有不可或缺的作用。同時(shí)，該研究應(yīng)用卵母細(xì)胞體外注射的方式證實(shí)了異常的組蛋白修飾對(duì)卵母細(xì)胞成熟的重要作用。

2016年，Zhang等[7]、Liu等[8]、Dahi等[9]突破了少量細(xì)胞表觀譜分析的技術(shù)瓶頸，分別在Nature和Molecular Cell上發(fā)表文章，揭示了受精后胚胎及胚胎發(fā)育早期組蛋白修飾的變化以及染色質(zhì)開(kāi)放程度對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控，完整地勾勒出早期胚胎發(fā)育過(guò)程中從配子到囊胚時(shí)期的兩種組蛋白修飾H3K4me3和H3K27me3動(dòng)態(tài)變化的表觀遺傳學(xué)圖譜，并且證明了早期胚胎具有非常獨(dú)特的表觀調(diào)控機(jī)制和模式。他們發(fā)現(xiàn)，受精卵母細(xì)胞的H3K4me3在受精后到2細(xì)胞末期之間發(fā)生去甲基化，而精子的很多H3K4me3信號(hào)又在4細(xì)胞期到囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的父母基因組上重現(xiàn)，這些研究在一定程度上闡述了組蛋白修飾（主要是H3K4me3和H3K27me3）在受精后的調(diào)控規(guī)律，為下一步研究表觀遺傳學(xué)信號(hào)的傳代機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

2 ?組蛋白修飾H3K4me3在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)已有的文獻(xiàn)報(bào)道，組蛋白H3K4me3能夠調(diào)節(jié)染色質(zhì)狀態(tài)處于松散狀態(tài)，從而促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。然而，由于實(shí)驗(yàn)手段的限制，組蛋白修飾是否能夠從親代傳遞到子代，以及如何傳遞是表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)久以來(lái)懸而未決的科學(xué)問(wèn)題。

Zhang等[7]的研究揭示了核心組蛋白H3第4位賴氨酸上三甲基化（H3K4me3）的代間遺傳機(jī)制，同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)H3第27位賴氨酸上三甲基化（H3K27me3）在受精卵的形成及后續(xù)發(fā)育過(guò)程中的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制[10]，他們發(fā)現(xiàn)，父本基因組上的H3K4me3在受精時(shí)被擦除，而后又逐漸恢復(fù)，尤其在兩細(xì)胞胚胎階段以后，但是仍比母本基因組上H3K4me3的豐度低，二者直到胚胎著床后才恢復(fù)到相當(dāng)?shù)乃?。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)，在成熟的卵母細(xì)胞中，H3K4me3呈現(xiàn)低水平的廣泛分布，這種分布模式被稱之為“非經(jīng)典H3K4me3”，并且在受精卵和早期的兩細(xì)胞胚胎階段，也發(fā)現(xiàn)非經(jīng)典H3K4me3分布，但是到了兩細(xì)胞胚胎后期階段，非經(jīng)典H3K4me3開(kāi)始減少，直至四細(xì)胞胚胎階段基本消失，與此同時(shí)，母本基因組從兩細(xì)胞胚胎后期開(kāi)始逐漸呈現(xiàn)經(jīng)典的H3K4me3分布。

3 ?組蛋白去甲基化酶KDM5B在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育中的作用

自從20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基化修飾以來(lái)，一直認(rèn)為組蛋白甲基化反應(yīng)是不可逆轉(zhuǎn)的。2004年第一次發(fā)現(xiàn)LSD1去甲基化酶能夠特異地去除組蛋白賴氨酸H3K4的甲基化修飾（H3K4-me1/2）[11]，2006年發(fā)現(xiàn)含有JMJC結(jié)構(gòu)域的去甲基化酶能夠特異地去除組蛋白本身賴氨酸H3K36的甲基化修飾[12]。這些研究結(jié)果說(shuō)明組蛋白的甲基化是可逆的，組蛋白的甲基化模式處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程。近年來(lái)的研究顯示組蛋白去甲基化修飾酶在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中起著重要的作用[13-16]。

組蛋白修飾的變化是特定的甲基化轉(zhuǎn)移酶和去甲基化轉(zhuǎn)移酶來(lái)介導(dǎo)完成的，那么組蛋白修飾H3K4me3在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化是由哪種酶介導(dǎo)完成的呢？根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，組蛋白修飾H3K4me3的去甲基化可以KDM5家族蛋白（包括KDM5A、KDM5B、KDM5C和KDM5D）催化介導(dǎo)。但是，對(duì)組蛋白去甲基化酶KDM5B對(duì)哺乳動(dòng)物附植前胚胎發(fā)育的作用知之甚少。KDM5B（JARID1B/PLU1）是負(fù)責(zé)介導(dǎo)組蛋白H3K4me2/3發(fā)生去甲基化的去甲基化酶，已有實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)KDM5B對(duì)多種生物學(xué)過(guò)程都有很重要的作用。Liu等[8]發(fā)現(xiàn)，在小鼠受精卵中敲降KDM5B導(dǎo)致基因組上H3K4me3信號(hào)普遍延長(zhǎng)及胚胎發(fā)育的阻滯。Huang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，KDM5B在豬早期胚胎發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)具有階段特異性，敲降引起H3K4me3在4-細(xì)胞和囊胚階段胚胎中的異常高表達(dá)，顯著降低了豬的早期胚胎發(fā)育能力。Liu等[18]研究結(jié)果顯示KDM5B為體細(xì)胞克隆胚胎4細(xì)胞發(fā)育阻滯的關(guān)鍵因子。

4 ?展望

隨著全基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，對(duì)動(dòng)物全基因組的蛋白及DNA的甲基化有了更深一層的了解，但對(duì)各種甲基化在細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中的調(diào)控機(jī)制仍然不是十分清楚。不同的蛋白質(zhì)甲基化對(duì)DNA的甲基化都具有一定的影響，從而對(duì)基因的表達(dá)起到促進(jìn)或抑制作用，但這種作用的調(diào)控機(jī)制并不十分明確。目前，全基因組甲基化測(cè)序技術(shù)和分析方法的飛速發(fā)展使得人們對(duì)DNA甲基化和組蛋白甲基化的調(diào)控機(jī)制有了更深的了解。也為發(fā)現(xiàn)未知的調(diào)控機(jī)制提供了方法，并能發(fā)掘出更多未知的基因功能及其調(diào)控機(jī)制。然而目前在表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域還存在許多問(wèn)題尚未解決，有待于結(jié)合現(xiàn)有的新技術(shù)和方法去闡明更多的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

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