解析小鼠原腸期形成的表觀遺傳調(diào)控規(guī)律

在哺乳動物早期胚胎發(fā)育過程中，胚胎通過原腸運(yùn)動，形成了具有不同發(fā)育命運(yùn)的外、中、內(nèi)三個胚層。原腸運(yùn)動過程中的三胚層形成為后續(xù)小鼠胚胎的器官形成等打下了堅實基礎(chǔ)，是整個胚胎發(fā)育過程中最關(guān)鍵的分子事件之一。

在小鼠原腸胚中，伴隨著胚胎發(fā)育過程的進(jìn)行，各胚層逐漸形成特異性的區(qū)域分布。其中胚內(nèi)部分的外胚層細(xì)胞主要分布在胚胎上胚層的前端部分；中內(nèi)胚層前體細(xì)胞則主要分布在上胚層后端的原條部分，并經(jīng)過上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)換過程， 越過原條，向胚胎前端遷移包裹形成中胚層細(xì)胞。三胚層形成過程中伴隨著細(xì)胞命運(yùn)的次序決定，對該過程中細(xì)胞命運(yùn)決定調(diào)控機(jī)制的研究一直是發(fā)育生物學(xué)研究中的熱點和難點。

在前期研究中，研究團(tuán)隊闡明了早期胚胎發(fā)育過程中，胚外組織細(xì)胞和胚內(nèi)組織細(xì)胞對發(fā)育相關(guān)基因調(diào)控的不同表觀遺傳機(jī)制。然而，對原腸運(yùn)動過程中三胚層形成的表觀調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識還很欠缺。

在本項研究中，研究團(tuán)隊結(jié)合原腸胚胚層細(xì)胞區(qū)域化分布的特點和前期建立的少量細(xì)胞表觀遺傳學(xué)研究技術(shù)（low-cell number ChIP-seq和reduced representation bisulfite sequencing），對原腸運(yùn)動過程中（起始階段E6.5天，中間階段E7.0天和結(jié)束階段E7.5天）的表觀遺傳修飾（H3K4me1, H3K4me3, H3K9ac, H3K27me3, H3K27ac, DNA methylation）模式進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

通過結(jié)合ChromHMM 分析，研究人員構(gòu)建了小鼠原腸胚中細(xì)胞的染色質(zhì)狀態(tài)模型；結(jié)合進(jìn)一步生物信息學(xué)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)不同胚層的染色質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。其中，中內(nèi)胚層細(xì)胞在原腸運(yùn)動早期（E6.5-E7.0）就呈現(xiàn)出劇烈的變化，而外胚層細(xì)胞在原腸運(yùn)動晚期（E7.0-E7.5）才呈現(xiàn)出明顯的變化。

通過整合已發(fā)表數(shù)據(jù)，研究人員確認(rèn)了大量原腸胚中特異性存在的增強(qiáng)子，發(fā)現(xiàn)了器官發(fā)生關(guān)鍵基因相關(guān)的增強(qiáng)子在原腸胚中即被預(yù)標(biāo)記的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，研究人員利用轉(zhuǎn)基因增強(qiáng)子活性報告系統(tǒng)對這些增強(qiáng)子在小鼠胚胎發(fā)育各階段的活性進(jìn)行了驗證， 發(fā)現(xiàn)并鑒定了一個新的、在胚胎外胚層中具有特異性活性的預(yù)標(biāo)記增強(qiáng)子-Ect2，并確認(rèn)了該增強(qiáng)子在小鼠胚胎發(fā)育過程中的活性分布，及對小鼠胚胎干細(xì)胞神經(jīng)分化過程的調(diào)控作用。

這項工作為理解哺乳動物胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞譜系的形成及其發(fā)育潛能建立的表觀調(diào)控機(jī)制提供了大量翔實的數(shù)據(jù)，將極大地推動對哺乳動物早期胚胎發(fā)育過程規(guī)律及機(jī)制的認(rèn)識，并為干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供重要理論支撐。