哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟及早期胚胎發(fā)育中組蛋白修飾研究進(jìn)展

崔浩亮，賈青,2,3，高明，史佩華，高錦春，陶晨雨*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河北保定 071000；2.國(guó)家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000；3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000）

組蛋白是組成真核生物染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，組蛋白修飾是指組蛋白氨基酸位點(diǎn)發(fā)生乙酰化、磷酸化、巴豆?；⒓谆?、琥珀?；刃揎椷^(guò)程。組蛋白修飾主要表現(xiàn)為染色體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在基因激活、卵母細(xì)胞成熟以及細(xì)胞重編程等方面起著非常重要的作用。組蛋白甲基化和乙?；? 種非常重要的表觀遺傳修飾標(biāo)記，組蛋白甲基化主要發(fā)生在賴(lài)氨酸（K）和精氨酸（R）殘基，組蛋白乙?；揎椫饕前l(fā)生在組蛋白H3 和H4，重要位點(diǎn)包括組蛋白H4K5、K8、K12、K16 與H3K9、K14 等。有研究表明，在哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟及早期胚胎發(fā)育過(guò)程中存在多種組蛋白修飾，且在細(xì)胞發(fā)育的不同階段發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。本文就哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟及早期胚胎發(fā)育過(guò)程中甲基化修飾與乙?；揎椙闆r及影響因素進(jìn)行綜述，為哺乳動(dòng)物發(fā)育研究提供理論依據(jù)。

1 哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中的動(dòng)態(tài)組蛋白修飾

組蛋白甲基化和乙?；揎梾⑴c卵母細(xì)胞成熟過(guò)程，在人類(lèi)卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中，檢測(cè)到從生發(fā)泡（GV）期到第2 次成熟分裂（MII）期存在相對(duì)穩(wěn)定的甲基化和乙?；揎棥Ｈ欢谪i卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中，存在十分活躍的蛋白修飾變化情況。組蛋白H4K5、H4K8、H4K12、H4K16、H3K9 和H3K14位點(diǎn)在GV期表現(xiàn)乙?；?，隨后生發(fā)泡破裂（GVBD）期乙?；瘉G失。H4K5 和H4K16 位點(diǎn)乙?；瘉G失會(huì)持續(xù)到第1 次成熟分裂（MI）期，隨后在第一后期與末期（AT I）中發(fā)生短暫乙酰化，這可能與卵母細(xì)胞的第二次減數(shù)分裂的發(fā)生有關(guān)。相比于活躍的乙?；剑谆节呄蚍€(wěn)定，H3K23 三甲基化和H3K27 單甲基化、二甲基化、三甲基化在卵子成熟過(guò)程中穩(wěn)定存在，同時(shí)H3K27 位點(diǎn)的乙?；脖憩F(xiàn)穩(wěn)定水平。與豬的研究結(jié)果相似，小鼠卵母細(xì)胞也存在豐富的組蛋白甲基化和乙酰化修飾水平，組蛋白H3K9、H3K14、H3K18和H4K5、H4K8、H4K12、H4K16 在GV 期均表現(xiàn)乙?；?，隨著卵母細(xì)胞逐漸成熟，大部分位點(diǎn)會(huì)發(fā)生去乙?；揖S持到MII 期。同時(shí)H4K12 會(huì)在第一極體（PB1）排出時(shí)發(fā)生短暫乙?；?，這與H4K5 和H4K16 位點(diǎn)的研究結(jié)果相似。相反甲基化修飾總體水平更加穩(wěn)定，H3K79 二甲基化、三甲基化穩(wěn)定存在于GV 期、GVBD期和MII 期，且H3K79 三甲基化定位在著絲粒周?chē)鷧^(qū)域，這可能會(huì)影響減數(shù)分裂正常的著絲粒構(gòu)象。同時(shí)也存在一些活躍的甲基化位點(diǎn)，Sarmento 等研究發(fā)現(xiàn)H3R17、H4R3 在卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中表現(xiàn)穩(wěn)定甲基化狀態(tài)，直到MII 期發(fā)生甲基化丟失。在牛卵母細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中，組蛋白甲基化與之前豬的研究結(jié)果相似，即H3K4、H3K9 二甲基化穩(wěn)定存在。在牛卵母細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中組蛋白發(fā)生乙酰化丟失的速度低于豬和小鼠，GVBD 時(shí)期H4 乙?；瘻p弱，MII 期H4K5、H4K12 和H4K16 發(fā)生乙?；瘉G失，同時(shí)H4K8 表現(xiàn)弱乙?；?，這種情況在小鼠體內(nèi)也有出現(xiàn)。然而在羊卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中，H3K9、H4K12 從GV 期到MII期表現(xiàn)乙?；?，H4K5 直到MII 期發(fā)生乙酰化丟失，這與豬和小鼠的研究結(jié)果相反。H3K9 在GV 期和MII 期表現(xiàn)三甲基化。哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中組蛋白甲基化和乙?；兓?jiàn)表1-2。以上研究表明，已經(jīng)探明的組蛋白修飾位點(diǎn)顯示卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中整體呈現(xiàn)乙?；?去乙酰-乙酰化形式動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，而且一些位點(diǎn)在AT I 期存在明顯變化，這表明組蛋白乙?；兓c減數(shù)分裂時(shí)期顯著相關(guān)。而大部分組蛋白甲基化修飾在整個(gè)減數(shù)分裂期間表現(xiàn)穩(wěn)定化趨勢(shì)。同時(shí)在不同物種間組蛋白修飾也表現(xiàn)不同狀態(tài)，牛、羊卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中乙?；瘉G失速率低于豬和小鼠，顯示卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中組蛋白修飾變化具有物種特異性，組蛋白甲基化相比乙?；w更加穩(wěn)定，同時(shí)在一個(gè)位點(diǎn)可以多個(gè)甲基化同時(shí)存在，甲基化數(shù)量不同決定著不同功能。

表1 卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中組蛋白乙?；揎椬?/p>

2 哺乳動(dòng)物早期胚胎的動(dòng)態(tài)組蛋白修飾

受精后的早期胚胎發(fā)育與前期減數(shù)分裂過(guò)程緊密相連，組蛋白甲基化和乙酰化修飾持續(xù)存在且趨向動(dòng)態(tài)變化。早期胚胎組蛋白甲基化和乙?；癄顟B(tài)見(jiàn)表3。在豬早期胚胎細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)可以檢測(cè)到H3K27 甲基化修飾，且單甲基化、二甲基化和三甲基化信號(hào)會(huì)一直維持到囊胚期，此外H3K27 乙?；瘡?qiáng)度會(huì)逐漸減弱，在八細(xì)胞期（8-cell）最弱，隨后乙?；饾u恢復(fù)。H3K23 位點(diǎn)趨向穩(wěn)定的甲基化和乙?；瘉G失狀態(tài)，只有在囊胚期恢復(fù)乙?；约霸谝患?xì)胞期（1-cell）表現(xiàn)弱三甲基化。小鼠早期胚胎在一細(xì)胞期與二細(xì)胞期（2-cell）階段H3K9/K14 和H4K5 發(fā)生乙?；＝M蛋白H3K9、H3K4 甲基化狀態(tài)從卵母細(xì)胞一直延續(xù)到早期胚胎階段，相反H3K79 位點(diǎn)在卵母細(xì)胞受精后甲基化逐漸丟失，在四細(xì)胞期（4-cell）甲基化略有上升并維持在較低水平，值得注意的是H3K79 二甲基化在胚胎細(xì)胞有絲分裂（M 期）期間會(huì)短暫升高，其他時(shí)期都表現(xiàn)去甲基化狀態(tài)。同時(shí)H3R17 和H4R3 位點(diǎn)在受精過(guò)程中發(fā)生甲基化丟失，H3R17 在受精階段表現(xiàn)微弱甲基化且在細(xì)胞質(zhì)中呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布，H4R3 在雌原核中表現(xiàn)甲基化丟失，但隨著胚胎的發(fā)育甲基化逐漸恢復(fù)。然而在牛體外受精過(guò)程中，早期胚胎呈現(xiàn)穩(wěn)定的甲基化和乙?；癄顟B(tài)。在羊受精卵中H3K9 修飾狀態(tài)與小鼠類(lèi)似，受精完成后只在雌原核中表現(xiàn)H3K9三甲基化，相反雄原核不表現(xiàn)。上述研究結(jié)果表明組蛋白修飾在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中起到十分重要的作用，同時(shí)這階段組蛋白修飾變化更加豐富且位點(diǎn)的定位不僅限于細(xì)胞核。

表2 卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中組蛋白甲基化修飾變化

表3 早期胚胎細(xì)胞組蛋白甲基化修飾與乙酰化修飾

3 組蛋白修飾對(duì)哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞及早期胚胎發(fā)育過(guò)程的影響

3.1 組蛋白修飾酶在哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞及早期胚胎中表達(dá) 卵母細(xì)胞成熟及早期胚胎發(fā)育是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，此過(guò)程中正常的組蛋白甲基化和乙?；揎棿_保了胚胎后續(xù)發(fā)育。組蛋白甲基化修飾主要由組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶（HMT）催化完成，乙?；瘎t主要是由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HATs）和組蛋白去乙?；福℉DACs）共同調(diào)控。為研究卵母細(xì)胞成熟及早期胚胎發(fā)育過(guò)程中組蛋白修飾變化的影響因素，本文主要探討組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶、組蛋白去乙?；敢约敖M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶在這一階段的表達(dá)水平變化。HATs 和HDACs 的表達(dá)水平對(duì)小鼠卵母細(xì)胞減數(shù)分裂以及孤雌激活（PA）起到至關(guān)重要的調(diào)控作用，Zhang 等通過(guò)研究HAT 基因和和HDAC 基因和，發(fā)現(xiàn)和表達(dá)在GV 期、MII 期和PA 中呈現(xiàn)先降低后升高狀態(tài)，而且5個(gè)基因呈現(xiàn)相反表達(dá)水平。賴(lài)氨酸特異性去甲基化酶4A（KDM4A）可以特異性去除H3K4 三甲基化標(biāo)記的啟動(dòng)子甲基化，KDM4A 缺失會(huì)導(dǎo)致卵母細(xì)胞異常的H3K9 三甲基化累積，使合子基因組激活過(guò)程中基因轉(zhuǎn)錄激活降低。在豬卵母細(xì)胞GV 期生發(fā)泡中檢測(cè)到HDAC 主要定位在染色質(zhì)缺失區(qū)，在GVBD 期主要分布在染色質(zhì)外圍，MII 期HDAC 消失，表明HDAC 的活性與卵母細(xì)胞減數(shù)分裂周期存在相關(guān)性。Sin3a 是包含HDAC1/2 的復(fù)合物，Jimenez 等研究發(fā)現(xiàn)Sin3a mRNA 在卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中被招募，抑制其招募不僅會(huì)抑制2-cell 期后的發(fā)育，而且會(huì)降低重編程基因表達(dá)的保真度。小鼠卵母細(xì)胞發(fā)育到15 日齡，和基因表達(dá)量顯著提高。期間H3K9、H3K18和H4K12 乙?；潭纫蚕鄳?yīng)提高。這些結(jié)果說(shuō)明HDAC 在調(diào)控組蛋白乙酰化過(guò)程中起到重要作用。胚胎細(xì)胞初始階段的生命活動(dòng)主要依靠母源物質(zhì)維持，在胚胎基因激活前后，和的mRNA 一直存在。和在胚胎基因激活前后相對(duì)豐都存在顯著差異，SUV39H1/2 介導(dǎo)組蛋白H3K9 三甲基化阻礙細(xì)胞重編程過(guò)程，DCAF13通過(guò)使SUV39H1 泛素化，導(dǎo)致H3K9 三甲基化丟失從而影響早期胚胎細(xì)胞重編程，但令人注意的是這期間HAT mRNA 相對(duì)豐度沒(méi)有變化。和是H3K27 的甲基化調(diào)控因子。卵母細(xì)胞及早期胚胎發(fā)育過(guò)程中在H3K27 位點(diǎn)存在甲基化，H3K27 三甲基化在2-cell 和4-cell 期胚胎細(xì)胞中水平很低或檢測(cè)不到。從4-cell 開(kāi)始，和轉(zhuǎn)錄水平顯著提高，EZH2 則相反。SETD2 是一種H3K36 甲基轉(zhuǎn)移酶，基因缺失會(huì)引發(fā)卵母細(xì)胞基因組表觀修飾發(fā)生廣泛變化，包括H3K36 三甲基化丟失、DNA 甲基組錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致卵母細(xì)胞成熟缺陷以及胚胎細(xì)胞停滯發(fā)育。總的來(lái)說(shuō)，在卵母細(xì)胞以及早期胚胎發(fā)育過(guò)程中多種組蛋白修飾酶通過(guò)調(diào)控組蛋白修飾來(lái)維持正常的細(xì)胞功能及細(xì)胞狀態(tài)。此外一些外源物質(zhì)也可以起到類(lèi)似效果，VC 可以促進(jìn)豬卵母細(xì)胞減數(shù)成熟以及提高體外成熟率，Yu 等研究發(fā)現(xiàn)VC 處理提高以及表達(dá)水平，抑制表達(dá)水平。

3.2 組蛋白修飾酶對(duì)細(xì)胞內(nèi)組蛋白修飾變化的影響 隨著蛋白修飾組學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的蛋白修飾酶被人們發(fā)現(xiàn)，但它們的具體功能還得不到驗(yàn)證。丁酸鈉是一種天然的組蛋白乙?；敢种苿?，用丁酸鈉處理卵母細(xì)胞和早期胚胎細(xì)胞使H3K9 乙?；l(fā)生改變，同時(shí)會(huì)抑制卵母細(xì)胞發(fā)育，然而少量丁酸鈉促進(jìn)早期胚胎發(fā)育。曲古抑素A 處理卵母細(xì)胞會(huì)誘導(dǎo)染色體組蛋白高乙酰化，其通過(guò)抑制HDAC6 導(dǎo)致減數(shù)分裂停滯、-微管蛋白以及H4K16 乙?；黾?、H3T3、H3S10 磷酸化降低，同時(shí)會(huì)抑制甲基化基因以及細(xì)胞周期基因的表達(dá)。用曲古抑素A 處理小鼠卵母細(xì)胞和早期胚胎細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)H3K9/K14 和H4K5 乙?；缴?，豬卵母細(xì)胞GVBD 延遲。組蛋白H4K12 乙?；谛∈舐涯讣?xì)胞成熟過(guò)程中水平顯著降低甚至檢測(cè)不到，用放線菌酮處理MII 期卵母細(xì)胞導(dǎo)致H4K12 重新乙?；?，表明HDAC 在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程中起到調(diào)控乙?；饔?，HAT 在MII 期喪失調(diào)控功能。TRX 是一類(lèi)著絲粒異染色質(zhì)結(jié)合蛋白，具有染色質(zhì)重構(gòu)活性。用曲古抑素A 抑制小鼠卵母細(xì)胞的HDAC 表達(dá)，通過(guò)破壞TRX與著絲粒的結(jié)合致使MII 期染色體排列異常，影響卵母細(xì)胞的正常發(fā)育。CFP1 是小鼠卵母細(xì)胞H3K4 三甲基化的主要調(diào)節(jié)因子，通過(guò)卵母細(xì)胞特異性的基因敲除、CFP1 功能抑制或H3K4 去甲基化都會(huì)抑制減數(shù)分裂以及MI 停滯現(xiàn)象。MC1568 是一種無(wú)毒性的去乙?；种苿?，用MC1568 處理SCNT 胚胎可以提高1-cell 與2-cell 階段的乙?；瑥亩龠M(jìn)豬SCNT 胚胎的體外發(fā)育。H3K79 可以被組蛋白賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶Dot1 家族特異性甲基化，缺乏Dot1L 蛋白會(huì)使小鼠卵母細(xì)胞減數(shù)分裂MI 期受到抑制。上述研究表明，抑制組蛋白修飾酶表達(dá)使組蛋白修飾發(fā)生錯(cuò)誤從而導(dǎo)致基因錯(cuò)誤表達(dá)以及細(xì)胞周期紊亂。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種可以調(diào)控組蛋白乙酰化和甲基化的酶。很多報(bào)道探究了這些酶對(duì)一個(gè)或多個(gè)位點(diǎn)的組蛋白修飾的影響，但目前還無(wú)法得出這些酶調(diào)控組蛋白修飾的確切結(jié)論。

4 結(jié) 語(yǔ)

組蛋白修飾在基因激活、細(xì)胞重編程過(guò)程中具有重要調(diào)控作用，而卵母細(xì)胞成熟及早期胚胎正常發(fā)育需要正確的組蛋白甲基化和乙?；揎椖Ｊ?，這需要相應(yīng)的組蛋白修飾酶表達(dá)來(lái)調(diào)控減數(shù)分裂、胚胎發(fā)育以及細(xì)胞分化等生物過(guò)程。隨著組蛋白修飾在許多疾病中的作用機(jī)制的深入研究，組蛋白修飾的功能及其調(diào)控機(jī)制研究受到廣泛關(guān)注。然而，關(guān)于組蛋白修飾的研究主要集中于人和小鼠，在家畜方向的研究報(bào)道較少。豬、牛、羊可以作為人類(lèi)疾病的動(dòng)物模型，以其作為研究對(duì)象有利闡明組蛋白修飾在疾病中的調(diào)控模式，以便尋找疾病相關(guān)的抑制劑和靶標(biāo)標(biāo)志物，從而找到治療疾病的新方向。目前關(guān)于組蛋白修飾在生殖領(lǐng)域的研究較少，綜合現(xiàn)有研究報(bào)道表明組蛋白修飾動(dòng)態(tài)變化影響減數(shù)分裂以及早期胚胎發(fā)育過(guò)程，具體影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。此外，組蛋白修飾的研究技術(shù)也在不斷發(fā)展，隨著對(duì)組蛋白修飾各方面研究的進(jìn)一步增加有望挖掘更多修飾變化規(guī)律，從而為提高動(dòng)物的繁殖能力以及提高優(yōu)質(zhì)動(dòng)物的使用年限提供理論基礎(chǔ)。