組蛋白H3K4me3甲基化修飾與哺乳動物早期胚胎發育

張立蘋 林鄭云 華再東

摘要：表觀遺傳調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控因子，對細胞的狀態和胚胎的發生與發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育研究進展進行了綜述。

關鍵詞：組蛋白;甲基化;表觀遺傳學;動物胚胎;細胞分化;早期發育

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

近年來，隨著表觀遺傳學研究的深入，其已經成為當今生物醫學領域的研究熱點。越來越多的研究結果表明，表觀遺傳學因素在細胞的分裂增殖過程中起著重要的調控作用。

哺乳動物胚胎發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生了異常，可能會導致胚胎發育相關基因的異常表達，進而影響胚胎發育，嚴重者甚至造成流產、死胎及胎兒畸形等。因此，哺乳動物早期胚胎的發育也與表觀遺傳因素有關，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中方法和手段在哺乳動物早期胚胎發育中取得的進展，明確了目前表觀遺傳學研究發展中面臨的挑戰及表觀遺傳學在哺乳動物早期胚胎發育中的研究前景。

1 ?哺乳動物早期胚胎發育過程中組蛋白甲基化修飾

表觀遺傳學的概念起源于對進化和發育的研究，早期的表觀遺傳學涵蓋了個體從受精卵到發育成熟過程中的所有事件，隨著對遺傳物質的鑒定和DNA雙螺旋結構的解析，表觀遺傳學的研究形成了DNA甲基化、組蛋白及其修飾、染色質重塑和非編碼RNA等幾個主流調控[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、乙酰化、泛素化以及巴豆酰化等一系列改變以及組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揮，進而決定細胞的狀態，影響胚胎的發生和發育，是表觀遺傳信息的重要載體和生命活動的重要調控因子。

組蛋白甲基化修飾是由組蛋白甲基化轉移酶（Histone melthyltransferases，HMT）催化，常發生在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，參與轉錄調控、基因組完整性維持及表觀遺傳模式的傳遞，是表觀遺傳學重要調控機制之一，在胚胎的早期發育過程中扮演著重要的角色[2，3]，在哺乳動物早期胚胎發生和發育中發揮著非常重要的作用，如H3K4me3（活化模式）或H3K27me3（抑制模式），它們分別標志著不同父系基因啟動子。活化模式為精子形成過程中基因表達所需，而抑制模式則扮演著調節子的角色[4]。研究表明，小鼠胚胎早期WDR82（HMT復合體的亞基之一）基因沉默，將引起轉錄因子POU5F1基因的轉錄起始位點H3K4me3減少，并伴隨著胚泡數量數目減少、胚胎細胞凋亡及胚胎發育遲緩等現象發生[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節染色質的緊縮程度，從而最終達到調控基因表達的目的。

卵母細胞的成熟關系到受精和早期胚胎發育的順利進行，是生殖醫學領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定對卵母細胞的轉錄組穩定和進一步成熟具有不可或缺的作用。同時，該研究應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瓶頸，分別在Nature和Molecular Cell上發表文章，揭示了受精后胚胎及胚胎發育早期組蛋白修飾的變化以及染色質開放程度對基因表達的調控，完整地勾勒出早期胚胎發育過程中從配子到囊胚時期的兩種組蛋白修飾H3K4me3和H3K27me3動態變化的表觀遺傳學圖譜，并且證明了早期胚胎具有非常獨特的表觀調控機制和模式。他們發現，受精卵母細胞的H3K4me3在受精后到2細胞末期之間發生去甲基化，而精子的很多H3K4me3信號又在4細胞期到囊胚內細胞團的父母基因組上重現，這些研究在一定程度上闡述了組蛋白修飾（主要是H3K4me3和H3K27me3）在受精后的調控規律，為下一步研究表觀遺傳學信號的傳代機制奠定了基礎。

2 ?組蛋白修飾H3K4me3在哺乳動物早期胚胎發育過程中的動態變化

根據已有的文獻報道，組蛋白H3K4me3能夠調節染色質狀態處于松散狀態，從而促進基因轉錄。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領域長久以來懸而未決的科學問題。

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，研究還發現H3第27位賴氨酸上三甲基化（H3K27me3）在受精卵的形成及后續發育過程中的動態調控機制[10]，他們發現，父本基因組上的H3K4me3在受精時被擦除，而后又逐漸恢復，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到相當的水平。同時，他們還發現，在成熟的卵母細胞中，H3K4me3呈現低水平的廣泛分布，這種分布模式被稱之為“非經典H3K4me3”，并且在受精卵和早期的兩細胞胚胎階段，也發現非經典H3K4me3分布，但是到了兩細胞胚胎后期階段，非經典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經典的H3K4me3分布。

3 ?組蛋白去甲基化酶KDM5B在哺乳動物早期胚胎發育中的作用

自從20世紀60年代發現組蛋白甲基化修飾以來，一直認為組蛋白甲基化反應是不可逆轉的。2004年第一次發現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年發現含有JMJC結構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移酶和去甲基化轉移酶來介導完成的，那么組蛋白修飾H3K4me3在哺乳動物早期胚胎發育過程中的動態變化是由哪種酶介導完成的呢？根據文獻報道，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。但是，對組蛋白去甲基化酶KDM5B對哺乳動物附植前胚胎發育的作用知之甚少。KDM5B（JARID1B/PLU1）是負責介導組蛋白H3K4me2/3發生去甲基化的去甲基化酶，已有實驗研究發現KDM5B對多種生物學過程都有很重要的作用。Liu等[8]發現，在小鼠受精卵中敲降KDM5B導致基因組上H3K4me3信號普遍延長及胚胎發育的阻滯。Huang等[17]研究發現，KDM5B在豬早期胚胎發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育能力。Liu等[18]研究結果顯示KDM5B為體細胞克隆胚胎4細胞發育阻滯的關鍵因子。

4 ?展望

隨著全基因組測序技術的發展，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育過程中的調控機制仍然不是十分清楚。不同的蛋白質甲基化對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，但這種作用的調控機制并不十分明確。目前，全基因組甲基化測序技術和分析方法的飛速發展使得人們對DNA甲基化和組蛋白甲基化的調控機制有了更深的了解。也為發現未知的調控機制提供了方法，并能發掘出更多未知的基因功能及其調控機制。然而目前在表觀遺傳學領域還存在許多問題尚未解決，有待于結合現有的新技術和方法去闡明更多的關鍵科學問題。

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