豬早期胚胎發育的三維基因組學重編程規律

【資料簡介】

 

豬不僅是重要的經濟家畜，在生物醫學領域也有重要應用。生豬的育種中廣泛應用了輔助生殖技術，包括體外受精技術、孤雌和孤雄生殖技術等。但與體外受精胚胎相比，孤雌和孤雄胚胎的存活率級低。這一存活率差異產生的機制目前還不清楚。深入理解這一機制不僅有助于增加商業化豬育種的產仔數，也將有利于生物醫學研究中轉基因豬模型的建立。哺乳動物早期胚胎發育過程中經歷復雜的表觀遺傳信息的重編程。表觀遺傳信息的重編程其與胚胎的存活緊密關聯。染色質三維結構是重要的表觀遺傳因素，與基因表達調控、發育及疾病等密切相關。然而豬的染色質三維結構及其在早期胚胎發育過程中的變化規律目前還是一個未知的領域。

近期，中國北京基因組研究所（國家生物信息中心）張治華團隊與中國農業王彥芳團隊及中科院動物研究所趙建國團隊合作在Genome Biology期刊發表論文，構建了豬體細胞染色質三維結構圖譜，追蹤了豬早期胚胎發育過程染色質空間構象重編程過程，并比較了孤雌、孤雄胚胎與體外受精胚胎發育過程中染色質結構的異同，揭示了在豬早期胚胎發育過程中的重要染色質結構重編程特點。

該研究分析了豬體細胞染色質構象的特點并與小鼠進行了比較，發現豬染色質同樣存在不同層次的折疊，包括染色質區室、拓撲相關結構域（TAD）、染色質環，并且在各個折疊層次上與小鼠染色質結構相對保守。研究人員對豬體外受精胚胎的不同發育階段進行了研究，發現與小鼠類似，豬染色質空間構象（染色質區室、TAD）在早期胚胎階段逐漸建立。但與小鼠相比，豬早期胚胎的染色質區室結構范圍更大。豬早期胚胎中，大約有一半的基因組被超過10Mb的超大染色質結構域所覆蓋（超級結構域）。超級結構域在豬中比例顯著高于小鼠，提示可能是大型哺乳動物的一個染色質結構特點。研究人員比較了孤雌、孤雄胚胎與體外受精胚胎發育過程中染色質重編程的異同，發現孤雌、孤雄胚胎在合子基因組激活的4細胞時期存在特殊的染色質區室的解體過程。解體的染色質區室在桑葚胚時期被部分重建。三種胚胎TAD的建立同樣存在差異，雖然在孤雌、孤雄胚胎中TAD也是逐漸建立的，但孤雌胚胎在各個發育階段TAD結構都要比孤雄胚胎更加明顯，研究人員在小鼠胚胎中發現了同樣的趨勢，母源來源的染色體比父源的染色體具有更顯著的TAD結構。

這項研究表明，染色質結構重編程的速率可能在胚胎成功發育中起關鍵作用。研究成果為染色質結構的進化研究提供了資源，而且為提高豬的輔助生殖效率提供了參考。張治華與王彥芳為本文共同通訊作者。該研究得到中科院戰略性先導科技專項、重點研發項目及國家自然科學基金委等的資助

豬不僅是重要的經濟家畜，在生物醫學領域也有重要應用。生豬的育種中廣泛應用了輔助生殖技術，包括體外受精技術、孤雌和孤雄生殖技術等。但與體外受精胚胎相比，孤雌和孤雄胚胎的存活率級低。這一存活率差異產生的機制目前還不清楚。深入理解這一機制不僅有助于增加商業化豬育種的產仔數，也將有利于生物醫學研究中轉基因豬模型的建立。哺乳動物早期胚胎發育過程中經歷復雜的表觀遺傳信息的重編程。表觀遺傳信息的重編程其與胚胎的存活緊密關聯。染色質三維結構是重要的表觀遺傳因素，與基因表達調控、發育及疾病等密切相關。然而豬的染色質三維結構及其在早期胚胎發育過程中的變化規律目前還是一個未知的領域。

近期，中國北京基因組研究所（國家生物信息中心）張治華團隊與中國農業王彥芳團隊及中科院動物研究所趙建國團隊合作在Genome Biology期刊發表論文，構建了豬體細胞染色質三維結構圖譜，追蹤了豬早期胚胎發育過程染色質空間構象重編程過程，并比較了孤雌、孤雄胚胎與體外受精胚胎發育過程中染色質結構的異同，揭示了在豬早期胚胎發育過程中的重要染色質結構重編程特點。

該研究分析了豬體細胞染色質構象的特點并與小鼠進行了比較，發現豬染色質同樣存在不同層次的折疊，包括染色質區室、拓撲相關結構域（TAD）、染色質環，并且在各個折疊層次上與小鼠染色質結構相對保守。研究人員對豬體外受精胚胎的不同發育階段進行了研究，發現與小鼠類似，豬染色質空間構象（染色質區室、TAD）在早期胚胎階段逐漸建立。但與小鼠相比，豬早期胚胎的染色質區室結構范圍更大。豬早期胚胎中，大約有一半的基因組被超過10Mb的超大染色質結構域所覆蓋（超級結構域）。超級結構域在豬中比例顯著高于小鼠，提示可能是大型哺乳動物的一個染色質結構特點。研究人員比較了孤雌、孤雄胚胎與體外受精胚胎發育過程中染色質重編程的異同，發現孤雌、孤雄胚胎在合子基因組激活的4細胞時期存在特殊的染色質區室的解體過程。解體的染色質區室在桑葚胚時期被部分重建。三種胚胎TAD的建立同樣存在差異，雖然在孤雌、孤雄胚胎中TAD也是逐漸建立的，但孤雌胚胎在各個發育階段TAD結構都要比孤雄胚胎更加明顯，研究人員在小鼠胚胎中發現了同樣的趨勢，母源來源的染色體比父源的染色體具有更顯著的TAD結構。

這項研究表明，染色質結構重編程的速率可能在胚胎成功發育中起關鍵作用。研究成果為染色質結構的進化研究提供了資源，而且為提高豬的輔助生殖效率提供了參考。張治華與王彥芳為本文共同通訊作者。該研究得到中科院戰略性先導科技專項、重點研發項目及國家自然科學基金委等的資助