撰文 | 程然然

責編丨迦漵

胚胎髮育的「沙漏模型」 (hourglass model，上圖) 是指在胚胎髮育早期，各個物種差異明顯；但到胚胎髮育中期，物種間的差異趨同；然後到胚胎髮育的後期又趨異發育【1】。在不同物種早期胚胎髮育階段，正確的器官發生對生命的延續至關重要，儘管這些物種的分化發生在幾百萬年前，但其背後的分子過程非常類似 ，並將此階段稱為種系特徵性發育階段 (phylotypic stage)【1】。近年來，隨著表觀基因組技術的不斷進步，人們對哺乳動物早期胚胎髮育過程中表觀遺傳重編程研究取得了巨大突破，但檢測靈敏度有限，細胞數目少等因素依然制約了在種系特徵性發育階段染色質動力學變化的研究。

異染色質修飾H3K9me3是一種抑制性的組蛋白修飾，在成體細胞中大量存在於基因組的重複富集區域，包括著絲粒和端粒區域，使得異染色質的蛋白編碼基因發生沉默【2, 3】。前期研究表明H3K9me3控制了基因組的穩定性和分化，並通過ULI-NChIP-seq技術建立了早期胚胎髮育及植入後胚胎細胞命運決定過程中異染色質修飾H3K9me3的圖譜【4】。然而尚缺乏在胚層階段以及細胞譜系建立過程中，全異染色質重編程過程的研究。在iPS細胞誘導及體細胞核移植(SCNT)的過程中人為去除H3K9me3修飾，可以極大的提高重編程效率【5】，因此理解在正常發育過程中， H3K9me3重編程如何決定細胞命運具有重要意義。

前不久，美國賓夕法尼亞大學的Kenneth S. Zaret課題組在Science發表了題為H3K9me3-heterochromatin loss at protein-coding genes enables developmental lineage specification的研究，強調了H3K9me3修飾對器官的發生以及譜系的維持至關重要。

研究人員利用小鼠胚胎內胚層和肝臟、胰腺譜系分析了srHC (sonication-resistant heterochromatin) 和H3K9me3的動態變化 (resistance to sonication即抗聲波降解法，被認為是異染色質狀態的indicator，可以通過一種生物物理方法 (gradient-seq) 區分srHC和常染色質的H3K9me3和H3K27me3【6】)。文中採用蔗糖梯度依賴的srHC-seq方法發現在內胚層細胞、肝實質細胞和成熟的beta細胞中，其srHC在基因組中存在相似部分。在內胚層分化時，srHC呈現明顯的動態變化，肝實質細胞和成熟beta細胞發育過程中，分別有5979和4979個基因解壓縮，而1630和5632個基因獲得srHC。GO分析，在成年的功能基因中srHC被移除。研究人員繪製了在胚胎髮育後期不同階段的H3K9me3修飾圖譜，通過比較其在內胚層、中胚層、原腸胚早期和分化細胞的變化發現，H3K9me3修飾更多的集中到內胚層和中胚層基因組，啟動子和轉錄終止位點。對譜系發育的不同階段H3K9me3修飾分析表明，當內胚層細胞分化成肝臟和胰腺的祖細胞時，H3K9me3修飾顯著減少，同樣的變化過程也適應於中胚層譜系。

H3K9me3 和 H3K27me3修飾可獨立或結合存在於srHC和開放的染色質中。與異染色質修飾H3K9me3不同，H3K27me3修飾在胚胎內胚層、肝實質細胞和成熟的beta細胞不同的基因和基因間隔區呈相似分布。值得注意的是，在肝臟和胰腺譜系終端分化的細胞中H3K27me3修飾與srHC大量缺失。同時，檢測到H3K27me3修飾在發育過程中逐漸減少，且與H3K9me3修飾互補，共同控制特定基因的發育沉默。總之，異染色質修飾H3K9me3在胚層細胞中短暫增加以抑制與成熟細胞功能相關基因的表達，並在胚胎分化成不同器官時被移除。

組蛋白甲基轉移酶Setdb1、Suv39h1和 Suv39h2是H3K9me3修飾所需要的【7】，研究人員利用內胚層特異的條件性敲除Setdb1小鼠，對其e11.5的肝臟分析發現，Setdb1調控肝細胞分化，並構建了內胚層特異的條件性敲除Setdb1、Suv39h1和 Suv39h2的小鼠品系 (TKO)。蛋白質分析發現Setdb1、Suv39h1和 Suv39h2的缺失顯著降低了H3K9me3，但H3K27me3和H3K9me2無明顯變化。在一月齡，與正常小鼠相比，TKO小鼠體型偏小（下圖），體重減少了約3倍。基因組分析發現srHC和H3K9me3顯著減少，電鏡觀察發現濃縮染色質大量缺失（下圖）。一月齡小鼠肝臟的RNA-seq數據顯示在TKO小鼠肝臟中非肝臟基因的表達增加，無法誘導成熟肝細胞基因如MUPs的表達。在早期發育過程中，H3K9me3異染色質修飾缺失導致肝細胞成熟受損，並且不適當譜系基因的表達在出生後一個月仍存在。

這項研究分析了siHC和H3K9me3的分布，發現在早期未分化的內胚層和中胚層細胞的基因體中存在較高的異染色質，在細胞分化過程中siHC和H3K9me3顯著減少。H3K9me3相關甲基轉移酶缺失的小鼠模型表明，正確的異染色質建立對細胞分化至關重要。這項研究強調了染色質表觀遺傳修飾在胚胎髮育過程中控制細胞命運的重要性。同時為異染色質H3K9me3修飾與homeobox蛋白在胚胎髮育的「沙漏模型」中相互作用，控制種系特徵性發育階段 (phylotypic stage) 特定基因的活性以確保細胞譜系的正確建立提供了有力的理論基礎。

原文鏈接：

science.sciencemag.org/

參考文獻：

1. Irie, N. and S. Kuratani, The developmental hourglass model: a predictor of the basic body plan? Development, 2014. 141(24): p. 4649-55.

2. Gilbert, N., et al., Chromatin architecture of the human genome: gene-rich domains are enriched in open chromatin fibers. Cell, 2004. 118(5): p. 555-66.

3. Martinez, P. and M.A. Blasco, Telomeric and extra-telomeric roles for telomerase and the telomere-binding proteins. Nat Rev Cancer, 2011. 11(3): p. 161-76.

4. Wang, C., et al., Reprogramming of H3K9me3-dependent heterochromatin during mammalian embryo development. Nat Cell Biol, 2018. 20(5): p. 620-631.

5. Wen, B., et al., Large histone H3 lysine 9 dimethylated chromatin blocks distinguish differentiated from embryonic stem cells. Nat Genet, 2009. 41(2): p. 246-50.

6. Becker, J.S., et al., Genomic and Proteomic Resolution of Heterochromatin and Its Restriction of Alternate Fate Genes. Mol Cell, 2017. 68(6): p. 1023-1037 e15.

7. Peters, A.H., et al., Loss of the Suv39h histone methyltransferases impairs mammalian heterochromatin and genome stability. Cell, 2001. 107(3): p. 323-37.

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