張立蘋 林鄭云 華再東

摘要：表觀遺傳調(diào)控是細胞分化過程中的主要機制之一，尤其在生殖細胞分化調(diào)控中尤為重要。而組蛋白甲基化修飾是表觀遺傳信息的重要載體和生命活動的重要調(diào)控因子，對細胞的狀態(tài)和胚胎的發(fā)生與發(fā)育具有決定性的作用，就組蛋白H3K4me3甲基化修飾與哺乳動物早期胚胎發(fā)育研究進展進行了綜述。

關(guān)鍵詞：組蛋白;甲基化;表觀遺傳學(xué);動物胚胎;細胞分化;早期發(fā)育

中圖分類號：Q344 ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? 文章編號：1007-273X（2019）07-0016-02

近年來，隨著表觀遺傳學(xué)研究的深入，其已經(jīng)成為當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。越來越多的研究結(jié)果表明，表觀遺傳學(xué)因素在細胞的分裂增殖過程中起著重要的調(diào)控作用。

哺乳動物胚胎發(fā)育是一個受到嚴密控制的過程，單個受精卵通過這一過程生成大量功能迥異的細胞，在胚胎發(fā)育的早期，細胞的分裂和分化最為活躍，如果表觀遺傳修飾發(fā)生了異常，可能會導(dǎo)致胚胎發(fā)育相關(guān)基因的異常表達，進而影響胚胎發(fā)育，嚴重者甚至造成流產(chǎn)、死胎及胎兒畸形等。因此，哺乳動物早期胚胎的發(fā)育也與表觀遺傳因素有關(guān)，其中細胞分化過程中的組蛋白甲基化修飾在其中的影響不可忽視。本研究跟蹤了近年來表觀遺傳學(xué)中方法和手段在哺乳動物早期胚胎發(fā)育中取得的進展，明確了目前表觀遺傳學(xué)研究發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)及表觀遺傳學(xué)在哺乳動物早期胚胎發(fā)育中的研究前景。

1 ?哺乳動物早期胚胎發(fā)育過程中組蛋白甲基化修飾

表觀遺傳學(xué)的概念起源于對進化和發(fā)育的研究，早期的表觀遺傳學(xué)涵蓋了個體從受精卵到發(fā)育成熟過程中的所有事件，隨著對遺傳物質(zhì)的鑒定和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的解析，表觀遺傳學(xué)的研究形成了DNA甲基化、組蛋白及其修飾、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA等幾個主流調(diào)控[1]。

組蛋白修飾是指在組蛋白的氨基酸殘基上所進行的諸如甲基化、乙?；⒎核鼗约鞍投辊；纫幌盗懈淖円约敖M蛋白本身在配子或胚胎形成過程中的變化，從而影響下游蛋白的表達及功能的發(fā)揮，進而決定細胞的狀態(tài)，影響胚胎的發(fā)生和發(fā)育，是表觀遺傳信息的重要載體和生命活動的重要調(diào)控因子。

組蛋白甲基化修飾是由組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶（Histone melthyltransferases，HMT）催化，常發(fā)生在H3、H4組蛋白N端賴氨酸或精氨酸殘基，包括單甲基化、雙甲基化和三甲基化，參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、基因組完整性維持及表觀遺傳模式的傳遞，是表觀遺傳學(xué)重要調(diào)控機制之一，在胚胎的早期發(fā)育過程中扮演著重要的角色[2，3]，在哺乳動物早期胚胎發(fā)生和發(fā)育中發(fā)揮著非常重要的作用，如H3K4me3（活化模式）或H3K27me3（抑制模式），它們分別標(biāo)志著不同父系基因啟動子?；罨Ｊ綖榫有纬蛇^程中基因表達所需，而抑制模式則扮演著調(diào)節(jié)子的角色[4]。研究表明，小鼠胚胎早期WDR82（HMT復(fù)合體的亞基之一）基因沉默，將引起轉(zhuǎn)錄因子POU5F1基因的轉(zhuǎn)錄起始位點H3K4me3減少，并伴隨著胚泡數(shù)量數(shù)目減少、胚胎細胞凋亡及胚胎發(fā)育遲緩等現(xiàn)象發(fā)生[5]。

組蛋白修飾的意義在于在不改變基因組信息的前提下通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)的緊縮程度，從而最終達到調(diào)控基因表達的目的。

卵母細胞的成熟關(guān)系到受精和早期胚胎發(fā)育的順利進行，是生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的研究方向之一。2016年，Xu等[6]研究證實組蛋白修飾水平的穩(wěn)定對卵母細胞的轉(zhuǎn)錄組穩(wěn)定和進一步成熟具有不可或缺的作用。同時，該研究應(yīng)用卵母細胞體外注射的方式證實了異常的組蛋白修飾對卵母細胞成熟的重要作用。

2016年，Zhang等[7]、Liu等[8]、Dahi等[9]突破了少量細胞表觀譜分析的技術(shù)瓶頸，分別在Nature和Molecular Cell上發(fā)表文章，揭示了受精后胚胎及胚胎發(fā)育早期組蛋白修飾的變化以及染色質(zhì)開放程度對基因表達的調(diào)控，完整地勾勒出早期胚胎發(fā)育過程中從配子到囊胚時期的兩種組蛋白修飾H3K4me3和H3K27me3動態(tài)變化的表觀遺傳學(xué)圖譜，并且證明了早期胚胎具有非常獨特的表觀調(diào)控機制和模式。他們發(fā)現(xiàn)，受精卵母細胞的H3K4me3在受精后到2細胞末期之間發(fā)生去甲基化，而精子的很多H3K4me3信號又在4細胞期到囊胚內(nèi)細胞團的父母基因組上重現(xiàn)，這些研究在一定程度上闡述了組蛋白修飾（主要是H3K4me3和H3K27me3）在受精后的調(diào)控規(guī)律，為下一步研究表觀遺傳學(xué)信號的傳代機制奠定了基礎(chǔ)。

2 ?組蛋白修飾H3K4me3在哺乳動物早期胚胎發(fā)育過程中的動態(tài)變化

根據(jù)已有的文獻報道，組蛋白H3K4me3能夠調(diào)節(jié)染色質(zhì)狀態(tài)處于松散狀態(tài)，從而促進基因轉(zhuǎn)錄。然而，由于實驗手段的限制，組蛋白修飾是否能夠從親代傳遞到子代，以及如何傳遞是表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域長久以來懸而未決的科學(xué)問題。

Zhang等[7]的研究揭示了核心組蛋白H3第4位賴氨酸上三甲基化（H3K4me3）的代間遺傳機制，同時，研究還發(fā)現(xiàn)H3第27位賴氨酸上三甲基化（H3K27me3）在受精卵的形成及后續(xù)發(fā)育過程中的動態(tài)調(diào)控機制[10]，他們發(fā)現(xiàn)，父本基因組上的H3K4me3在受精時被擦除，而后又逐漸恢復(fù)，尤其在兩細胞胚胎階段以后，但是仍比母本基因組上H3K4me3的豐度低，二者直到胚胎著床后才恢復(fù)到相當(dāng)?shù)乃?。同時，他們還發(fā)現(xiàn)，在成熟的卵母細胞中，H3K4me3呈現(xiàn)低水平的廣泛分布，這種分布模式被稱之為“非經(jīng)典H3K4me3”，并且在受精卵和早期的兩細胞胚胎階段，也發(fā)現(xiàn)非經(jīng)典H3K4me3分布，但是到了兩細胞胚胎后期階段，非經(jīng)典H3K4me3開始減少，直至四細胞胚胎階段基本消失，與此同時，母本基因組從兩細胞胚胎后期開始逐漸呈現(xiàn)經(jīng)典的H3K4me3分布。

3 ?組蛋白去甲基化酶KDM5B在哺乳動物早期胚胎發(fā)育中的作用

自從20世紀60年代發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基化修飾以來，一直認為組蛋白甲基化反應(yīng)是不可逆轉(zhuǎn)的。2004年第一次發(fā)現(xiàn)LSD1去甲基化酶能夠特異地去除組蛋白賴氨酸H3K4的甲基化修飾（H3K4-me1/2）[11]，2006年發(fā)現(xiàn)含有JMJC結(jié)構(gòu)域的去甲基化酶能夠特異地去除組蛋白本身賴氨酸H3K36的甲基化修飾[12]。這些研究結(jié)果說明組蛋白的甲基化是可逆的，組蛋白的甲基化模式處于一個動態(tài)的變化過程。近年來的研究顯示組蛋白去甲基化修飾酶在早期胚胎發(fā)育過程中起著重要的作用[13-16]。

組蛋白修飾的變化是特定的甲基化轉(zhuǎn)移酶和去甲基化轉(zhuǎn)移酶來介導(dǎo)完成的，那么組蛋白修飾H3K4me3在哺乳動物早期胚胎發(fā)育過程中的動態(tài)變化是由哪種酶介導(dǎo)完成的呢？根據(jù)文獻報道，組蛋白修飾H3K4me3的去甲基化可以KDM5家族蛋白（包括KDM5A、KDM5B、KDM5C和KDM5D）催化介導(dǎo)。但是，對組蛋白去甲基化酶KDM5B對哺乳動物附植前胚胎發(fā)育的作用知之甚少。KDM5B（JARID1B/PLU1）是負責(zé)介導(dǎo)組蛋白H3K4me2/3發(fā)生去甲基化的去甲基化酶，已有實驗研究發(fā)現(xiàn)KDM5B對多種生物學(xué)過程都有很重要的作用。Liu等[8]發(fā)現(xiàn)，在小鼠受精卵中敲降KDM5B導(dǎo)致基因組上H3K4me3信號普遍延長及胚胎發(fā)育的阻滯。Huang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，KDM5B在豬早期胚胎發(fā)育過程中的表達具有階段特異性，敲降引起H3K4me3在4-細胞和囊胚階段胚胎中的異常高表達，顯著降低了豬的早期胚胎發(fā)育能力。Liu等[18]研究結(jié)果顯示KDM5B為體細胞克隆胚胎4細胞發(fā)育阻滯的關(guān)鍵因子。

4 ?展望

隨著全基因組測序技術(shù)的發(fā)展，對動物全基因組的蛋白及DNA的甲基化有了更深一層的了解，但對各種甲基化在細胞發(fā)育過程中的調(diào)控機制仍然不是十分清楚。不同的蛋白質(zhì)甲基化對DNA的甲基化都具有一定的影響，從而對基因的表達起到促進或抑制作用，但這種作用的調(diào)控機制并不十分明確。目前，全基因組甲基化測序技術(shù)和分析方法的飛速發(fā)展使得人們對DNA甲基化和組蛋白甲基化的調(diào)控機制有了更深的了解。也為發(fā)現(xiàn)未知的調(diào)控機制提供了方法，并能發(fā)掘出更多未知的基因功能及其調(diào)控機制。然而目前在表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域還存在許多問題尚未解決，有待于結(jié)合現(xiàn)有的新技術(shù)和方法去闡明更多的關(guān)鍵科學(xué)問題。

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