nature 论文推荐 | 清华团队揭示早期胚胎中遗传物质的动态变化，CRISPR 为研究提供重要帮助
科研圈微信号现已上线论文推荐栏目，
您可以在这里推荐您发表的论文，
或您认为有价值的研究，
我们会和您一同组织推荐文案，
将您的研究分享给更多的科研工作者。
推荐论文，请联系 keyanquan@huanqiukexue.com
撰文 吴婧怡（清华大学生命科学学院博士生，论文共同第一作者）
吴婧怡另一方面的研究兴趣是基因组数据分析，特别是整合表观基因组数据。她的多个工作都是结合转录组、组蛋白修饰、染色质状态、甲基化和染色体高级结构的多维数据分析。大量的基因测序数据里包含了太多生物学信息，她所在的实验室的工作，就是帮助大家解读这些隐藏在细胞中的生物学信息，特别是可遗传的具有功能的生物学信息。
如果您对希望与吴婧怡及其团队取得联系、展开进一步讨论，请点击阅读原文，报名参加我们稍后推出的作者交流微信群。
在生命起始时期，精子和卵子的结合启动了一系列剧烈的染色体动态变化。这种变化能够帮助基因组转录重新启动，塑造崭新的全能性胚胎，并为之后的胚胎发育和组织分化奠定基础。然而在这个过程中，受精卵的染色体到底是如何动态变化的，这种变化又是如何协助胚胎特异基因激活的，一直都是未解之谜。
由于早期胚胎材料的稀缺，目前的技术手段难以施展该项研究。2013 年，斯坦福大学开发的少量细胞染色质开放区域定位技术（ATAC-seq）给相关研究带来了一线希望，但将其运用在胚胎中却存在着一个致命的缺陷，就是大量的线粒体基因组污染。这些来源于线粒体的 DNA 在部分样品中高达 99% ，严重影响了对基因组DNA的检测。
为了克服这一困难，清华大学颉伟实验室利用 CRISPR 基因编辑系统，特异性去除了线粒体 DNA 污染，攻克了这一技术瓶颈，从而解析了哺乳动物胚胎早期发育的染色质动态变化过程。（Wu, Jingyi, et al. "The landscape of accessible chromatin in mammalian preimplantation embryos." Nature 534.7609 (2016): 652-657. 论文基本信息见文章末尾。）
开放染色质定位技术（ATAC-seq）和线粒体 DNA 去除技术（CARM）用于研究早期胚胎的开放染色质区域。
在染色质动态图谱中，研究人员发现，胚胎中来源于父母本的两套染色体在 2 细胞时期已经建立了相似的染色质开放区域。除了基因启动子，这些区域还特异地集中在基因组的重复序列和基因转录的终止位置。这些发现暗示着在胚胎早期发育过程中存在更为丰富的调控方式。
另外，研究人员还通过开放染色质鉴定到可能的基因调控元件和相关的调节转录因子，并通过基因敲低实验证实了其中两个转录因子对胚胎中最早细胞分化的关键转录程序起重要的调控作用。
最后，研究人员检测了胚胎基因组激活前的染色质状态，发现该时期的染色体不同于基因组激活后的胚胎和体细胞，可能处于一种整体更加松散的状态，并缺乏类似体细胞基因转录所需的调控元件。
早期胚胎发育中合子基因组激活（ZGA）前后不同时期的染色质状态
这项工作不仅发现了哺乳动物早期发育过程中，染色质动态变化的特征以及可能的调控元件和转录因子，还揭示了在这个过程中，染色质和转录调控元件不同于体细胞的特殊作用模式，这将有助于进一步解析胚胎发育的基因组激活过程及相关调控因子。
如果您对希望与吴婧怡及其团队取得联系、展开进一步讨论，请点击阅读原文，报名参加我们稍后推出的作者交流微信群。
论文基本信息
【题目】The landscape of accessible chromatin in mammalian preimplantation embryos
【作者】Jingyi Wu, Bo Huang, He Chen，et al
【期刊】nature
【日期】Published online15 June 2016
【doi】
【摘要】In mammals, extensive chromatin reorganization is essential for reprogramming terminally committed gametes to a totipotent state during preimplantation development. However, the global chromatin landscape and its dynamics in this period remain unexplored. Here we report a genome-wide map of accessible chromatin in mouse preimplantation embryos using an improved assay for transposase-accessible chromatin with high throughput sequencing (ATAC-seq) approach with CRISPR/Cas9-assisted mitochondrial DNA depletion. We show that despite extensive parental asymmetry in DNA methylomes, the chromatin accessibility between the parental genomes is globally comparable after major zygotic genome activation (ZGA). Accessible chromatin in early embryos is widely shaped by transposable elements and overlaps extensively with putative cis-regulatory sequences. Unexpectedly, accessible chromatin is also found near the transcription end sites of active genes. By integrating the maps of cis-regulatory elements and single-cell transcriptomes, we construct the regulatory network of early development, which helps to identify the key modulators for lineage specification. Finally, we find that the activities of cis-regulatory elements and their associated open chromatin diminished before major ZGA. Surprisingly, we observed many loci showing non-canonical, large open chromatin domains over the entire transcribed units in minor ZGA, supporting the presence of an unusually permissive chromatin state. Together, these data reveal a unique spatiotemporal chromatin configuration that accompanies early mammalian development.
【链接】
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature18606.html
内容合作请联系
keyanquan@huanqiukexue.com,
或者给010-85321181打电话。
这里是“科学美国人”中文版《环球科学》服务科研人的微信号“科研圈”。我们：
· 关注科学进展与科研生态
· 推荐重要前沿研究
· 发布科研招聘
· 推送学术讲座与会议预告。
欢迎长按二维码关注。