子科生物報(bào)道：早期胚胎發(fā)育起始于高度特化的精子和卵子的結(jié)合，從而形成全能性的受精卵。在這個(gè)過程中，表觀遺傳信息重編程對(duì)于擦除親本表觀遺傳記憶和重建細(xì)胞全能性十分重要。研究結(jié)果表明，哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過程中DNA甲基化會(huì)在全基因組范圍內(nèi)發(fā)生顯著的“擦除-重建”過程。與此截然不同的是，斑馬魚和非洲爪蟾蜍等非哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過程中全基因組DNA甲基化一直維持在相對(duì)較高的水平。目前人們對(duì)于不同物種在早期胚胎發(fā)育過程中為什么選擇完全不同的DNA甲基化重編程模式并不清楚。頡偉課題組于2021年 12月22日在《Science Advances》期刊以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表了題為“DNA甲基化遺傳和增強(qiáng)子去記憶化重塑表觀屏障保障胚胎發(fā)育（Methylome inheritance and enhancer dememorization reset an epigenetic gate safeguarding embryonic programs）”的研究論文。

脊椎動(dòng)物的基因組大部分區(qū)域通常都是高甲基化的，而只有調(diào)控序列會(huì)出現(xiàn)低甲基化，并且這種低甲基化與調(diào)控序列的活性通常正相關(guān)。頡偉和孟安明課題組前期的研究結(jié)果表明，基因組上的一類重要調(diào)控元件增強(qiáng)子在斑馬魚配子受精前后會(huì)從低甲基化的狀態(tài)變成高甲基化的狀態(tài)，從而去掉親本的表觀遺傳學(xué)記憶（低甲基化狀態(tài)）。這種現(xiàn)象被命名為增強(qiáng)子的去記憶化 (dememorization)。直到種系特征性發(fā)育階段（斑馬魚胚胎受精后24小時(shí)），增強(qiáng)子的DNA甲基化才會(huì)被合子表達(dá)的TET蛋白特異性地擦除，從而激活下游的細(xì)胞特異基因的表達(dá)。然而，斑馬魚維持整體甲基化并且增強(qiáng)子去記憶化的功能，以及胚胎增強(qiáng)子如何在高DNA甲基化的基因組環(huán)境下激活下游基因表達(dá)仍是未解之謎。

為了回答這些問題，清華大學(xué)頡偉課題組利用未成熟卵母細(xì)胞原位顯微注射技術(shù)（OMIS），在斑馬魚里建立了DNA甲基轉(zhuǎn)移酶dnmt1的母源敲低模型，證明了全基因組范圍內(nèi)大幅度降低斑馬魚早期胚胎的DNA甲基化水平會(huì)導(dǎo)致早期胚胎致死。這些結(jié)果表明，高DNA甲基化是斑馬魚早期胚胎正常發(fā)育所必需的。為了研究DNA甲基化擦除引起胚胎致死的原因，研究人員檢測(cè)了dnmt1母源敲低胚胎的轉(zhuǎn)錄組、組蛋白修飾在基因組內(nèi)的分布變化。結(jié)果顯示，DNA甲基化的降低伴隨著成體細(xì)胞增強(qiáng)子和成體細(xì)胞特異表達(dá)基因的異常激活，提示增強(qiáng)子的去記憶化以及整體DNA甲基化對(duì)維持是沉默體細(xì)胞增強(qiáng)子的重要機(jī)制。但有趣的是，胚胎增強(qiáng)子也是高甲基化，但并不影響其在胚胎發(fā)育過程中發(fā)揮功能。為了回答這個(gè)問題，研究人員進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚早期胚胎的增強(qiáng)子區(qū)域CG密度低，使其對(duì)DNA甲基化不敏感，而成體細(xì)胞的增強(qiáng)子區(qū)域CG密度高。所以，在斑馬魚早期胚胎中，高DNA甲基化能夠選擇性沉默成體細(xì)胞的增強(qiáng)子，保障了轉(zhuǎn)錄組的時(shí)序性?；谝陨辖Y(jié)果，研究人員揭示了整體DNA甲基化的維持和增強(qiáng)子的去記憶化是斑馬魚早期胚胎發(fā)育的轉(zhuǎn)錄程序的重要保障，能夠防止成體細(xì)胞基因的提前激活，調(diào)控基因有序表達(dá)。

斑馬魚DNA甲基化遺傳和增強(qiáng)子去記憶化重塑表觀屏障保障胚胎發(fā)育

基于上述研究結(jié)果，研究人員提出一個(gè)模型來解釋哺乳動(dòng)物和其他的脊椎動(dòng)物為什么采用了不同的DNA甲基化重編程模式。哺乳動(dòng)物和非哺乳動(dòng)物可能都是通過改變DNA甲基化水平去除親本記憶。哺乳動(dòng)物通過大規(guī)模擦除基因組DNA甲基化去除親本記憶，而斑馬魚等非哺乳動(dòng)物則通過甲基化增強(qiáng)子區(qū)域來去除親本記憶，最終都達(dá)到了重置發(fā)育時(shí)鐘的目的。這項(xiàng)工作不僅回答了斑馬魚早期胚胎發(fā)育中DNA甲基化的調(diào)控作用，同時(shí)加深了我們對(duì)于細(xì)胞重編程以及全能性獲取的理解。

哺乳動(dòng)物和非哺乳動(dòng)物分別利用DNA甲基化整體擦除重建以及維持高DNA甲基化并實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)子去記憶化擦除親本表觀遺傳記憶和重置發(fā)育時(shí)鐘

清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉教授為本文的通訊作者，清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心博士后吳小童、張紅梅以及原頡偉課題組博士生張冰潔為本文共同第一作者。清華大學(xué)生命學(xué)院孟安明教授，日本東京大學(xué)的Hiroyuki Takeda教授和其實(shí)驗(yàn)室的Ryohei Nakamura助理教授，中科院動(dòng)物所的劉峰教授也在該工作中給與了大力的支持和幫助。該課題得到了清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心的大力協(xié)助和支持。該研究獲得了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市科技計(jì)劃、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究項(xiàng)目以及美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所國(guó)際研究學(xué)者（HHMI International Research Scholar） 的經(jīng)費(fèi)支持。