真核生物的染色體通常呈現高度凝集的狀態，而核小體是染色體結構中最基本的重複單元，由組蛋白八聚體纏繞著約147bp DNA組成。核小體具有緻密的結構，封锁了一些特异性DNA序列識別蛋白的結合，囙此核小體的排布與染色體可及性、基因轉錄活性密切相關[1]。對於包括人類、小鼠在內的哺乳動物，精子的發生過程會經歷組蛋白被魚精蛋白替換的獨特事件，這促使精子基因組進一步的壓縮、凝集，而當受精作用發生後，魚精蛋白迅速解聚，組蛋白與基因組DNA重新組裝為核小體結構，這種染色質重塑對於合子基因組啟動（zygoticgenomeactivation，ZGA）等轉錄事件有著重要調控作用[2]，然而受精後核小體重建、重排的偏好模式和影響機制尚不明晰。
同濟大學高紹榮教授及張勇教授課題組近年來有多項合作工作致力於探究小鼠早期胚胎發育過程中的錶觀遺傳調控，尤其是ZGA和譜系分化相關的轉錄調控，例如2016年發表於Nature雜誌的H3K4me3、H3K27me3修飾建立與小鼠胚胎基因轉錄調控相關研究[3]，以及2018年發表於NatureCellBiology雜誌的H3K9me3參與逆轉座子沉默和譜系分化相關研究[4]。這些工作均利用極低起始量的染色質免疫共沉澱-測序（Ultra-low-input micrococcal nuclease-based native ChIP-seq，ULI-NChIP-seq）科技繪製了重要組蛋白甲基化修飾在早期胚胎發育中的動態變化圖譜，也進一步強調了以組蛋白為基礎的染色質狀態調控對於正常發育過程的重要意義。
4月15日，高紹榮教授和張勇教授課題組合作，在CellResearch雜誌線上發表題為“Dynamic nucleosome organization after fertilization reveals regulatory factors for mouse zygotic genome activation”的文章。利用低起始量的微球菌核酸酶高通量測序（ULI-MNase-seq），首次檢測了小鼠受精後12h內雌雄原核連續時間點的核小體排布模式建立過程，探討了影響核小體排布的潜在機制，並基於核小體建立模式的動態變化鑒定了影響合子基因組啟動的潜在轉錄因數。
在該研究中，研究人員通過顯微操作，分離獲得了小鼠雌雄配子，以及受精後0.5小時至12小時9個連續時間點的雌雄原核，並對配子和雌雄原核的核小體排布情况，使用ULI-MNase-seq科技進行了全基因組的檢測（圖1a）。研究人員同時開發了一套針對核小體數據的分析流程NEPTUNE，基於此流程，研究人員分析發現：受精後雄原核基因組上魚精蛋白迅速替換為核小體，在1h左右基本完成替換，而雌原核及使用圓形精子受精得到的雌雄原核不存在這種現象（圖1b）；在核小體佔有率建立完畢之後，雌雄原核的核小體定位訊號均發生了逐步重塑，核小體缺失區域（Nucleosomedepletedregion，NDR）在啟動子、增强子開始建立，雄原核的NDR建立比雌原核要更為迅速，並且ZGA相關的基因相比於其他基因的NDR建立更為明顯。上述分析說明，核小體排布的建立具有雌雄差异，並很可能反應了早期雌雄原核基因轉錄活性的區別。
圖1小鼠雌雄原核受精過程中核小體排布模式迅速建立
研究人員進一步探索了影響早期核小體排布的因素，分析發現，GC含量與核小體佔有（Nucleosomeoccupancy）的建立密切相關，GC含量高的區域傾向於在更早的時期建立核小體。進一步，研究人員發現抑制DNA複製及轉錄並不能對核小體佔有率及排布模式產生顯著影響，而使用HDAC抑制組蛋白乙醯化修飾可以明顯降低+1核小體及NDR的形成，暗示乙醯化修飾介導的早期染色質重塑複合物的結合可能對核小體排布的建立起到了重要調控作用。
轉錄因數通常需要結合在核小體缺失區域發揮作用，囙此分析轉錄因數結合區域核小體排布的變化，極有可能反應轉錄因數在基因組上的結合情况。研究人員基於核小體排布訊號，計算了122個早期表達的轉錄因數模體上NDR的變化情况，發現其中一類轉錄因數的NDR在受精過程中發生了從無到有的建立（圖2，Cluster3），暗示這些因數極有可能在早期結合到基因組，並可能參與了合子基因組的啟動。研究人員敲降了其中兩個轉錄因數Mlx及Rfx1，發現Mlx可以調控合子時期ZGA的發生，而Rfx1可以顯著影響2-細胞時期的ZGA。
圖2基於雌雄原核核小體定位動態變化鑒定Mlx及Rfx1為ZGA關鍵因數
綜上所述，該研究首次繪製了小鼠雌雄原核受精過程中核小體排布高解析度圖譜，發現了核小體排布的建立模式規律，並基於核小體排布模式的動態變化，鑒定了合子基因組啟動過程中的關鍵轉錄因數。對於人們理解表觀遺傳學修飾在代際之間的傳遞，及對胚胎發育過程中基因表達的調控作用提供了有力的支持。
同濟大學王晨飛研究員、高紹榮教授實驗室的陳川博士、劉曉雨教授、李翀副研究員為本文的共同第一作者。高紹榮教授、張勇教授及高亞威教授為本文的共同通訊作者。該研究得到了科技部、基金委和上海市科委項目支持。
1.Struhl K，Segal E. Determinants of nucleosome positioning.Nat Struct Mol Biol 2013；20:267-273.
2.Okada Y，Yamaguchi K. Epigenetic modifications and reprogramming in paternal pronucleus: sperm，preimplantation embryo，and beyond.Cell Mol Life Sci 2017；74:1957-1967.
3.Liu X，Wang C，Liu W，Li J，Li C，Kou X，Chen J，Zhao Y，Gao H，Wang H，Zhang Y，Gao Y，et al. Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3 chromatin domains in pre-implantation embryos.Nature 2016；537:558-562.
4.Wang C，Liu X，Gao Y，Yang L，Li C，Liu W，Chen C，Kou X，Zhao Y，Chen J，Wang Y，Le R，et al. Reprogramming of H3K9me3-dependent heterochromatin during mammalian embryo development.Nat Cell Biol 2018；20:620-631.