人类基因组定序后，科学家努力从每个人身上所携带的 30 亿个不完全一样的遗传密码中抽丝剥茧，试图厘清遗传密码的作用。
2017 年 12 月 19 日，北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬，和北京大学第三医院乔杰院士在国际知名学术期刊《自然遗传学》(Nature Genetics) 发表了一篇文章“Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos”。利用单细胞全基因组 DNA 甲基化定序技术，首次揭露人类早期胚胎发育过程中的 DNA 去甲基化（demethylation）与重新甲基化（de novo methylation）的动态变化、父系母系基因组甲基化（maternal-and paternal-origin genomes）之差异。
我们都知道，生命的开始，从精卵结合成受精卵，发育成胚胎，再进一步分化为不同器官与组织，最后才是一个完整的生命。在这过程中，一般情况下，基因组 DNA 序列并没有发生变化，起到关键调控作用的其实是表观遗传修饰，其中，DNA 甲基化更扮演关键角色，控制基因表达调控的过程。
更接近造物主的巧思，解开 DNA 甲基化的秘密
想一窥生命的奥秘，就从搞懂甲基化下手，而唯一的方法就是对基因序列进行逐项分析。北大团队这次的研究对三大类共 480 个细胞进行单细胞甲基化定序，这些单细胞来自 50 个人的卵母细胞、23 个精细胞和 62 个植入前胚胎。平均每个细胞进行了 8.4Gb 的定序，覆蓋 1,080 万个甲基化位点，数量非常庞大，找到数以万计的 DNA 甲基化新位点。
胚胎在受精卵形成后，来自亲本的基因组会进行整体去甲基化的过程，这也是为什么父母的基因甲基化很少遗传给子女的原因。研究者发现，去甲基化分为三阶段：在受精后 10-12小时，开始进行第一次大规模去甲基化，这时父系基因（paternal genome）的甲基化程度会从 82.0% 降到 52.9%，母系基因（maternal genome） 则会从 54.5% 降低到 50.7%。
第二次去甲基化发生在受精卵晚期到二细胞时期，此时基因组甲基化程度从 49.9% 降低到 40.4%；第三次去甲基化则发生在八细胞时期到桑椹胚（morula stage），基因组甲基化程度再从 40.4% 降到 35.1%。这两次去甲基化主要发生在内含子和各种 DNA 重复序列上（基本是转座序列，原文：transposon）。
俗话说“魔鬼藏在细节里”，从这三次去甲基化之间数据的不连续，研究人员发现，其实在这三次去甲基化中间，还藏着两次从头甲基化。一次从头甲基化发生在生殖细胞原核融合在一起的过程中；另一次从头甲基化发生在四细胞时期到八细胞时期中。根据研究测量到的数据，这两次大规模甲基化中，涉及到的基因分别是 19,861 个和 53,437 个！
汤富酬研究员的团队提到，经过从头甲基化的基因也不一定一直保持着甲基化的状态，很有可能在下一波去甲基化中又被还原，可见最终胚胎所呈现的整体甲基化水平其实是一种动态平衡的状态。
不对衬的生命之美：父系与母系基因组的甲基化比较
然而，研究人员还发现，在分析胚胎甲基化程度的过程中——父系和母系基因组之间的去甲基化动力学相当不同！在第一次去甲基化过程中，父系基因组的去甲基化速度较母系快：父系甲基化速度暴跌 29.1 %，母系则只下降了 3.8 %！
在胚胎形成最初，父系基因甲基化水平是远高于母系的，但随着细胞生长分裂，等到二细胞时期，母系的基因甲基化水平（23.0%）就会反超过父系的基因甲基化水平（15.2%），即使父亲的基因组是在甲基化程度较高的精子内开使，该现象仍会一直持续。研究人员补充说，母系基因组甲基化水平虽然较弱，但仍高于胚胎植入后期的父系基因组。这表示母系基因组在植入前和发育过程中优先超甲基化（hypermethylation）。研究人员猜测，这种甲基化的不对称性，可能说明来自母系的甲基化“记忆”对胚胎、尤其是胎盘的发育影响更大。
黄金团队屡创佳绩
其实，早从 2010 年起，乔杰教授和汤富酬研究员的团队就围绕人类生殖细胞与胚胎发育机制开展了一系列研究，并取得重大突破。2014 年 7 月，他们首次实现了对早期胚胎发育 DNA 甲基化的系统研究而登上了《Nature》杂志。他们采用“全基因组重硫酸盐（PBAT）定序技术”，解决了胚胎内单个细胞之间甲基化程度不均一的问题，在单细胞、单碱基的分辨率上绘制了世界首个人类早期胚胎 DNA 甲基化全景图谱。发现调控胚胎与生殖细胞发育的关键基因及表观遗传调控的特征，揭示人类表观遗传记忆（DNA 甲基化标记）将在后代发育过程中大规模的被移除，但一些特殊的重复序列元件上仍然残留大量甲基化等特性。2015 年，团队则是首次绘制人类原始生殖细胞 (PGCs) 的转录组和 DNA 甲基化组图谱，这重要的研究成果发表在 6 月 4 日的《Cell》杂志上，并获选为封面文章。
对未来生殖医学的深远影响
北大团队的发现，不仅有助于更进一步解析遗传密码，更能加强辅助生殖技术的安全性评估、了解生殖内分泌与代谢性疾病是否会遗传、反复流产及临床上生殖细胞发育异常相关疾病的评估，其影响相当深远。诚如科学家们在文中所述，这项研究，能够为破解早期人类胚胎 DNA 甲基化重编程的秘密铺路，一探这精妙的生命起源过程。
文 / Miggy Chang
延伸阅读：再生医学新视角：从表观遗传调控基因活性，可减少 DNA 受损风险参考文献：
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
