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【学术前沿】牛昱宇季维智张毅合作揭示灵长类亲源印记调控区域动

发布日期:2022-06-23 18:51   来源:未知   阅读:

  基因印记是双亲来源的染色体中单等位基因表达的现象,在调控发育、行为等多种生物学过程中发挥着重要作用【1】。目前,鉴定人类等远交系动物 (outbred animals) 的印记区域需要使用基于单核苷酸多态性 (Single nucleotide polymorphisms, SNP) 的分析方法并整合数百个不同个体的DNA甲基化组数据【2】,或者使用单亲本二倍体 (uniparental disomy) 等特殊材料作为样本【3】。这些方法成本高昂且材料不易获得,成为了在远交系动物中研究基因印记的一大障碍。

  2021年10月6日,昆明理工大学牛昱宇、季维智课题组与哈佛医学院张毅课题组在Developmental Cell杂志上合作发表了题为 Analysis of developmental imprinting dynamics in primates using SNP-free methods to identify imprinting defects in cloned placenta 的研究工作。在这项工作中,作者通过对孤雄、孤雌胚胎的转录组和表观组的研究,揭示了食蟹猴早期胚胎中调控印记基因的主要机制。作者通过开发不依赖于SNP,且高效精准的亲源印记调控区域的鉴定方法—TARSII和CARSII,揭示了灵长类早期胚胎与成体细胞,以及成体细胞与胎盘组织间基因印记的差异,并由此发现了克隆猴胎盘中的基因印记存在严重缺失。此外,该研究的一大亮点是开发了一种不依赖于SNP的生物信息方法来寻找印迹基因,突破以往常规方法需要近交系的存在(灵长类动物难以获得近交系)。为了了解灵长类动物的基因印记调控机制,作者首先对食蟹猴16细胞时期的孤雄与孤雌胚胎做了转录组测序并鉴定出371个父源高表达基因 (paternal-biased expressed genes, PEGs)。通过进一步对DNA甲基化组和H3K27me3修饰的测序和分析发现上述371个PEG中大部分与母源高甲基化区域(early-embryonic maternal-allele-methylated differentially methylated regions, emDMRs)相关,而仅有极少数与母源高H3K27me3区域相关,表明灵长类早期胚胎中PEGs的表达主要受到DNA甲基化而非H3K27me3的调控。为确定早期胚胎中与PEGs相关的emDMRs是否会被保留至成体组织中,作者开发了不依赖SNP鉴定印记区域的方法—TARSII (Tissue-associated, reads-based, SNP-free method for identifying imprint-DMRs)(图1)。通过整合食蟹猴6种不同组织、孤雌以及孤雄胚胎的DNA甲基化组数据,作者最终鉴定出了39个母源印记区域 (maternal germline differentially methylated regions, mgDMRs),然而其中只有4个与emDMR相同,这表明灵长类早期胚胎中绝大部分与PEG相关的emDMRs并不会保留到成体组织中。图1. TARSII 分析流程示意图

  进一步地,作者开发了用于预测单个组织中印记区域的方法—CARSII(CpG-island-associated, reads-based, SNP-free method for identifying imprint-DMRs),比较了灵长类不同组织之间,尤其是胎盘与体细胞的印记差异。结果显示,人、食蟹猴与猕猴的母源印记区域在胎盘中的数量均远多于其在成体组织中的数量(约为3倍),而这种现象在小鼠组织中没有被观察到,表明这是一种灵长类特有的胎盘印记模式。作者进一步发现并证明了体细胞核移植胎盘组织丢失了大量胎盘特异性的母源印记区域(图2),进而影响了相关印记基因的表达。这些基因,例如DNMT1和HAND2等,对于胎盘和胚胎发育具有十分重要的作用。图2. 野生型、核移植胎盘和成体组织中胎盘特异母源印记DMRs DNA甲基化修饰水平(左)及对应基因的表达情况(右)

  综上所述,本项研究开发了不依赖于SNP鉴定印记区域的方法,研究了灵长类早期胚胎到成体组织细胞中基因印记的动态变化, 并揭示了相对于早期胚胎和胎盘,成体组织细胞保留了更少的母源印记。体细胞中这些被抹去的母源印记不能通过重编程(如核移植技术)重新在胎盘组织中被建立,最终导致了灵长类核移植胎盘中出现严重基因印记缺陷。这为灵长类动物核移植研究提供了重要的线索,也为提高灵长类动物的克隆效率带来了新的思路。

  据悉,本项工作由昆明理工大学灵长类转化医学研究院和哈佛医学院共同合作完成。昆明理工大学博士研究生褚楚和哈佛医学院博士后研究员张文昊为本文的共同第一作者。昆明理工大学牛昱宇教授、季维智教授和哈佛医学院张毅教授、张文昊博士为该文的共同通讯作者。

  哺乳类中约有二三百个基因呈现出因父母本来源差异而导致的基因表达差异,这一现象是一个经典表观遗传现象,被称为基因印迹,这些基因则被称为印迹基因。印迹基因在胚胎及胎盘发育中有着重要的意义,通过对印迹基因的操作,科学家已经能够获得双亲为同一性别的小鼠。

  目前,灵长类克隆已获得成功,但利用这一技术进行灵长类疾病模型的大规模扩增仍需要克隆效率的进一步提升。而普遍被认为将有助于提升灵长类克隆效率的策略之一就是对灵长类印迹基因进行操作。这首先要知道哪些灵长类基因是印迹基因。而在全基因组水平寻找灵长类的印迹基因本身就是一个困扰科学界多年的难题。

  在啮齿类中寻找印迹基因的成功得益于小鼠近交系的存在和不同近交系之间的DNA序列差异。由于不同的近交系之间存在广泛的单碱基差异(SNP),只要将父本和母本固定为两个特定的近交系,就可以根据杂合子的SNP信息对测序结果进行父母来源的确认。然而,灵长类近交系并不存在,因此无法通过这一策略复制在啮齿类中的成功。近期,美国哈佛大学张毅课题组和昆明理工大学牛昱宇、季维智课题组强强联合,在这一困扰学界多年的难题上取得了重大突破。

  该团队首先利用食蟹猴孤雄、孤雌胚胎获得了亲本差异性表达的基因,缩小了印迹基因的候选范围。为了突破灵长类没有近交系和亲本SNP信息的限制,该团队发展了一种不依赖于SNP的生物信息方法来寻找印迹基因。基因组中绝大部分区域的DNA甲基化水平或者接近0%,或者接近100%,很少有接近50%的,而印迹基因的印迹控制区域则往往因其亲本特异性单基因座表达的特点而呈现为50%左右的甲基化水平。利用印迹基因的这一特点,结合来自孤雄和孤雌胚胎的亲本差异性表达基因,该团队发展生物信息学算法实现了不依赖于SNP信息的印迹基因鉴定方法。在利用小鼠数据验证了这一方法的可行性之后,该团队成功将其应用到了食蟹猴数据,实现了在全基因组水平鉴定灵长类的印迹基因。我将这一方法的核心戏称为“按图索骥”:按在其它物种中对印迹基因理解的“图”,索到了灵长类印迹基因这个“骥”。这一方法不仅能被应用于没有近交系的物种中的印迹基因研究,也能够简化在有近交系的物种中的印迹基因研究。

  随后,该团队比较了其发现的印迹基因在克隆猴中的状态,并观察到这些印迹基因在克隆猴的胎盘中出现了失衡。这向通过针对印迹基因的操作来提升灵长类克隆效率迈出了坚实的一步。最后,该研究也表明胎盘细胞或者滋养层干细胞的细胞核可能会是体细胞克隆供体的更佳选择。

  这一研究是一加一大于二的强强联合的典范。牛昱宇、季维智课题组在灵长类研究中的丰厚积累与张毅课题组对印迹基因特征的深入理解是这一重大突破的共同基础。

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  原标题:《【学术前沿】牛昱宇/季维智/张毅合作揭示灵长类亲源印记调控区域动态变化过程及克隆猴胎盘中的母源印记缺陷》

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