造物主不能說的秘密:DNA 甲基化揭示人類早期胚胎發育

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人類基因組定序後,科學家努力從每個人身上所攜帶的 30 億個不完全一樣的遺傳密碼中抽絲剝繭,試圖釐清遺傳密碼的作用。

2017 年 12 月 19 日,北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬,和北京大學第三醫院喬傑院士在國際知名學術期刊《自然遺傳學》(Nature Genetics) 發表了一篇文章「Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos」。利用單細胞全基因組 DNA 甲基化定序技術,首次揭露人類早期胚胎發育過程中的 DNA 去甲基化(demethylation)與重新甲基化(de novo methylation)的動態變化、父系母系基因組甲基化(maternal-and paternal-origin genomes)之差異。

我們都知道,生命的開始,從精卵結合成受精卵,發育成胚胎,再進一步分化為不同器官與組織,最後才是一個完整的生命。在這過程中,一般情況下,基因組 DNA 序列並沒有發生變化,起到關鍵調控作用的其實是表觀遺傳修飾,其中,DNA 甲基化更扮演關鍵角色,控制基因表達調控的過程。

更接近造物主的巧思,解開 DNA 甲基化的秘密

想一窺生命的奧秘,就從搞懂甲基化下手,而唯一的方法就是對基因序列進行逐項分析。北大團隊這次的研究對三大類共 480 個細胞進行單細胞甲基化定序,這些單細胞來自 50 個人的卵母細胞、23 個精細胞和 62 個植入前胚胎。平均每個細胞進行了 8.4Gb 的定序,覆蓋 1,080 萬個甲基化位點,數量非常龐大,找到數以萬計的 DNA 甲基化新位點。

胚胎在受精卵形成後,來自親本的基因組會進行整體去甲基化的過程,這也是為什麼父母的基因甲基化很少遺傳給子女的原因。研究者發現,去甲基化分為三階段:在受精後 10-12小時,開始進行第一次大規模去甲基化,這時父系基因(paternal genome)的甲基化程度會從 82.0% 降到 52.9%,母系基因(maternal genome) 則會從 54.5% 降低到 50.7%。

第二次去甲基化發生在受精卵晚期到二細胞時期,此時基因組甲基化程度從 49.9% 降低到 40.4%;第三次去甲基化則發生在八細胞時期到桑椹胚(morula stage),基因組甲基化程度再從 40.4% 降到 35.1%。這兩次去甲基化主要發生在內含子和各種 DNA 重複序列上(基本是轉座序列,原文:transposon)。

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俗話說「魔鬼藏在細節裡」,從這三次去甲基化之間數據的不連續,研究人員發現,其實在這三次去甲基化中間,還藏著兩次從頭甲基化。一次從頭甲基化發生在生殖細胞原核融合在一起的過程中;另一次從頭甲基化發生在四細胞時期到八細胞時期中。根據研究測量到的數據,這兩次大規模甲基化中,涉及到的基因分別是 19,861 個和 53,437 個!

湯富酬研究員的團隊提到,經過從頭甲基化的基因也不一定一直保持著甲基化的狀態,很有可能在下一波去甲基化中又被還原,可見最終胚胎所呈現的整體甲基化水平其實是一種動態平衡的狀態。

不對襯的生命之美:父系與母系基因組的甲基化比較

然而,研究人員還發現,在分析胚胎甲基化程度的過程中——父系和母系基因組之間的去甲基化動力學相當不同!在第一次去甲基化過程中,父系基因組的去甲基化速度較母系快:父系甲基化速度暴跌 29.1 %,母系則只下降了 3.8 %!

在胚胎形成最初,父系基因甲基化水平是遠高於母系的,但隨著細胞生長分裂,等到二細胞時期,母系的基因甲基化水平(23.0%)就會反超過父系的基因甲基化水平(15.2%),即使父親的基因組是在甲基化程度較高的精子內開使,該現象仍會一直持續。研究人員補充說,母系基因組甲基化水平雖然較弱,但仍高於胚胎植入後期的父系基因組。這表示母系基因組在植入前和發育過程中優先超甲基化(hypermethylation)。研究人員猜測,這種甲基化的不對稱性,可能說明來自母系的甲基化「記憶」對胚胎、尤其是胎盤的發育影響更大。

黃金團隊屢創佳績

其實,早從 2010 年起,喬傑教授和湯富酬研究員的團隊就圍繞人類生殖細胞與胚胎發育機制開展了一系列研究,並取得重大突破。2014 年 7 月,他們首次實現了對早期胚胎發育 DNA 甲基化的系統研究而登上了《Nature》雜誌。他們採用「全基因組重硫酸鹽(PBAT)定序技術」,解決了胚胎內單個細胞之間甲基化程度不均一的問題,在單細胞、單鹼基的解析度上繪製了世界首個人類早期胚胎 DNA 甲基化全景圖譜。發現調控胚胎與生殖細胞發育的關鍵基因及表觀遺傳調控的特徵,揭示人類表觀遺傳記憶(DNA 甲基化標記)將在後代發育過程中大規模的被移除,但一些特殊的重複序列元件上仍然殘留大量甲基化等特性。2015 年,團隊則是首次繪製人類原始生殖細胞 (PGCs) 的轉錄組和 DNA 甲基化組圖譜,這重要的研究成果發表在 6 月 4 日的《Cell》雜誌上,並獲選為封面文章。

對未來生殖醫學的深遠影響

北大團隊的發現,不僅有助於更進一步解析遺傳密碼,更能加強輔助生殖技術的安全性評估、了解生殖內分泌與代謝性疾病是否會遺傳、反覆流產及臨床上生殖細胞發育異常相關疾病的評估,其影響相當深遠。誠如科學家們在文中所述,這項研究,能夠為破解早期人類胚胎 DNA 甲基化重編程的秘密鋪路,一探這精妙的生命起源過程。

文 / Miggy Chang

延伸閱讀:再生醫學新視角:從表觀遺傳調控基因活性,可減少 DNA 受損風險

參考文獻:
1.Zhu, P., Guo, H., Ren, Y., Hou, Y., Do, J., Li, R., Lian, Y., Fan X., Hu, B., Gap, Y.,et al.(2017). Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos. Nature Genetics.
2.https://www.genomeweb.com/sequencing/single-cell-methylome-sequencing-uncovers-dynamics-dna-methylation-human-embryos
3.https://www.nature.com/articles/nature13544

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