植入前胚胎中DNA甲基化异质性的程序化产生机制 | Genome Biology

论文标题：A DNA methylation state transition model reveals the programmed epigenetic heterogeneity in human pre-implantation embryos

期刊：Genome Biology

作者：Chengchen Zhao et.al

数字识别码：10.1186/s13059-020-02189-8

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人类胚胎在植入前的发育阶段中，DNA甲基化状态发生剧烈变化并从4细胞期出现细胞间的异质性[1]。解析这一过程中DNA甲基化异质性的产生机制及其与细胞命运决定的关联对于理解表观遗传修饰在第一次细胞命运决定中的作用非常重要。但是，受限于植入前胚胎的取材限制与数据获取的技术难度，目前仍缺乏对这一问题的系统研究。利用计算生物学方法来解析DNA甲基化状态转换过程不依赖于上述限制，有望应用于系统性研究植入前胚胎中DNA甲基化异质性的产生机制。

近日，同济大学张勇教授团队和高绍荣教授团队合作在Genome Biology 发表题为A DNA methylation state transition model reveals the programmed epigenetic heterogeneity in human pre-implantation embryos的文章。在这项研究中，张勇教授团队构建了量化DNA甲基化状态随着细胞分裂而改变的计算生物学模型MethylTransition 并推演了植入前胚胎中DNA甲基化异质性的程序化产生机制。

图1.MethylTransition 的计算框架示意图。

（a） 细胞分裂过程中DNA甲基化状态变化的示意图。空心圆圈代表未甲基化的CpG二核苷酸，实心圆圈代表甲基化的CpG二核苷酸。

（b） DNA复制过程中DNA甲基化状态之间相互转换的概率以及酶作用下的概率。“1”表示甲基化的CpG二核苷酸，“0”表示未甲基化的CpG二核苷酸，则一个CpG位点上的DNA甲基化状态有如下四种：完全未甲基化（0-0），半甲基化（0-1或1-0）或完全甲基化（1-1）。上图显示了DNA复制过程中DNA甲基化状态之间的转换概率，其中a表示子链继承亲本DNA的概率，对称分裂中a为0.5。下图显示了酶作用下DNA甲基化状态之间的转换概率，其中u是未甲基化的CpG 二核苷酸从头甲基化的概率，p是半甲基化的CpG 二核苷酸发生甲基化的概率，d是在甲基化的CpG二核苷酸上发生主动去甲基化的概率。

在该研究中，MethylTransition 将CpG位点上的DNA甲基化状态随着细胞分裂而改变的过程细分为了三个步骤：DNA复制过程中的被动去甲基化、DNA甲基化修饰酶引起的DNA甲基化主动改变以及非姐妹染色单体重新组合过程中DNA甲基化状态的组合。通过引入表征不同DNA甲基化修饰活动活性的参数，该研究对细胞分裂前后不同DNA甲基化状态相互转换的概率进行了参数表示，进一步结合单细胞DNA甲基化组学数据实现了对上述参数的估计，从而定量化地反映了DNA甲基化修饰活动的活性（图1）。该研究采用了三种策略衡量了MethylTransition 这一模型应用于不同细胞的鲁棒性、应用于不同缺失率数据的鲁棒性以及对参数的生物学可解释性（图2）。

图2.MethylTransition 的性能评估。

（a） 箱型图展示人类植入前胚胎发育过程前三个细胞周期中利用不同细胞对的甲基化数据进行参数估计的结果。其中每个点表示一对甲基化数据的参数估计。

（b） 箱形图展示利用不同缺失率的模拟甲基化数据对进行参数估计的结果。

（c） 线图展示利用具有不同趋势DNA甲基化状态变化的模拟甲基化数据进行参数估计的结果。

该研究发现人类植入前胚胎中的DNA甲基化异质性很大程度上由合子时期的DNA甲基化状态决定，并应用模型MethylTransition 推演了DNA甲基化异质性程序化的产生（图3）。

图3.人类植入前胚胎中DNA甲基化异质性的程序化产生。

（a） 人早期胚胎发育过程中，根据合子时期的DNA甲基化状态将基因分为5类，不同类别的基因启动子区域在4细胞期的DNA甲基化异质性。其中，点表示该类别的平均DNA甲基化异质性。

（b） 不同类别的基因启动子区域在8细胞期的DNA甲基化异质性。

（c） 人早期胚胎发育过程中，利用合子时期的DNA甲基化状态及MethylTransition 预测出的不同类别的基因在4细胞期的DNA甲基化异质性。

（d） 人早期胚胎发育过程中，利用合子时期的DNA甲基化状态及MethylTransition 预测出的不同类别的基因在8细胞期的DNA甲基化异质性。

该研究还发现这一过程中程序化的DNA甲基化异质性与转录异质性表现出正相关性，并具有时序上的关联性。进一步地，高绍荣教授团队通过对比Stella^-/-小鼠[2]和野生型小鼠胚胎在8细胞时期的转录异质性支持了DNA甲基化异质性对基因表达异质性的影响。这些因DNA甲基化程度增加出现转录异质性增加的基因中，包括了Neat1 等已报道的与首次细胞命运决定相关的关键因子，表明DNA甲基化的异质性可能参与首次细胞命运决定。为了论证这一猜测，该研究进一步在人类早期胚胎中挑出了899个内细胞团特异性或者外胚层特异性表达的基因作为与人类首次细胞命运决定相关的基因，这些基因的启动子区域在8细胞期表现出了明显高于其他基因的DNA甲基化异质性及表达异质性，这表明内细胞团和外胚层细胞之间的分离可以部分地由程序化的DNA甲基化异质性所解释。这些基因中，有64个基因同时表现出了高DNA甲基化异质性及高表达异质性，其中包括已知的内细胞团标志基因GDF3、CUBN，IGF1 和已知的外胚层标志基因GCM1（图4）。

图4. 植入前胚胎发育过程中DNA甲基化异质性的潜在调控作用。

（a） 表示人类8细胞期的胚胎中DNA甲基化异质性与表达异质性之间关系的箱形图。

（b） 表示小鼠8细胞期的Stella-/-胚胎和野生型（WT）胚胎之间的基因表达异质性差异的火山图。x轴表示对数转换（底为2）后的表达变化倍数，y轴表示对数转换（底为10）后取负的p-value值。

（c） 表示小鼠植入前胚胎发育过程中表达异质性增强的基因与其他基因相比在1细胞期DNA甲基化水平的箱型图。

（d） 箱型图展示了与人类首次细胞命运决定相关的基因及其他基因在8细胞期的DNA甲基化异质性。

（e） 箱型图展示了与人类首次细胞命运决定相关的基因及其他基因在8细胞期的表达异质性。

（f） 热图展示了与人类首次细胞命运决定相关的基因的四种类别，其中，同时表现出高DNA甲基化异质性（>0.3）及高表达异质性（>0.5）的这一类别被高亮标注为红色。

综上，这项研究提供了一种定量估计单次细胞分裂过程中DNA甲基化修饰活动活性参数的计算生物学方法，揭示了人类植入前胚胎中DNA甲基化异质性程序化产生的机制, 并为第一次细胞命运决定驱动因素的研究提供了线索。张勇教授和高绍荣教授团队的刘文强副研究员为这篇文章的共同通讯作者。赵程辰博士、山东大学的张乃千副研究员、高绍荣教授团队的博士研究生张亚林为本文共同第一作者。这项研究得到了国家科技部、国家自然科学基金委、中组部、上海市科委等的资助。

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