湯富酬、文路發(fā)表綜述系統總結人類生殖系細胞發(fā)育的分子機制研究
圖一 Human germline cycle
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2019年9月25日,北京大學生命科學學院、生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心(BIOPIC)湯富酬教授與文路副研究員受邀在國際知名學術期刊《Molecular Cell》上發(fā)表綜述,系統總結了國際上近年來在人類生殖系細胞單細胞組學測序方面的最新研究成果。
生殖系細胞(Germline cells)是指多細胞生物個體中攜帶種系遺傳物質的所有細胞類型,包括由精子與卵細胞結合而產生的全能性受精卵、胚胎著床前后的多能性內細胞團細胞和上胚層細胞、單能性胚胎生殖細胞、個體出生后的生殖細胞以及成熟的精子與卵細胞(圖一)。在多細胞生物物種數百萬年的進化歷程中,其生殖系細胞是“永生”的細胞類型,會將該物種的遺傳信息不斷從上一代傳遞到下一代。
湯富酬教授課題組與北京大學第三醫(yī)院喬杰教授課題組長期密切合作,致力于揭示人類生殖系細胞發(fā)育過程中基因表達的表觀遺傳學調控機制。多年前,兩個團隊合作繪制了人類生殖系細胞的著床前胚胎階段的高精度單細胞轉錄組圖譜(Yan et al. Nature Structural &Molecular Biology, 2013),對人類生殖系細胞的著床前胚胎階段與胚胎生殖細胞階段的兩輪大規(guī)模DNA甲基化組重編程過程進行了系統、深入的研究(圖二、Guo et al. Nature,2014;Guo et al. Cell,2015)。最近,合作團隊對人類著床前胚胎發(fā)育的表觀基因組動態(tài)變化過程進行了更加深入的分析,發(fā)現了人類著床前胚胎發(fā)育過程中的DNA從頭加甲基化現象,揭示出人類植入前胚胎的DNA甲基化組重編程過程是基因組全局大規(guī)模去甲基化和重要基因組區(qū)域從頭加甲基化之間復雜動態(tài)平衡的結果 (圖二、Zhu, et al. Nature Genetics, 2018)。
圖二、人類生殖系細胞DNA甲基化重編程過程。
在此基礎上采用湯富酬課題組發(fā)展的單細胞表觀基因組多組學測序技術(scCOOL-seq技術,Guo, et al. Cell Research, 2017),進一步解析了人類著床前胚胎發(fā)育過程中DNA甲基化組和染色質狀態(tài)組重編程過程的核心特點,以及染色質狀態(tài)與DNA甲基化之間的相互關系(Li, et al. Nature Cell Biology,2018)。發(fā)現人類植入前胚胎中父、母源基因組DNA甲基化以及染色質狀態(tài)的不對稱分布在發(fā)育重編程過程中的逆轉,揭示了父、母源基因組DNA甲基化等表觀遺傳信息在胚胎發(fā)育過程中的不對稱傳遞。
另外,還采用單細胞測序技術系統繪制了人類胚胎生殖細胞及其微環(huán)境細胞的單細胞轉錄組圖譜,揭示了人類胚胎生殖細胞發(fā)育的全部重要階段的關鍵生物學特征,特別是胚胎生殖細胞發(fā)育的異步性,并進一步揭示了胚胎生殖細胞-性腺微環(huán)境細胞之間的協同發(fā)育關系(圖三、Li et al. Cell Stem Cell, 2017)。在此基礎上與趙小陽教授課題組合作繪制了成年男性精子發(fā)生過程的高精度單細胞轉錄組圖譜,揭示了人類精子發(fā)生過程的主要階段的關鍵生物學特征(圖四、Wang et al. Cell Stem Cell, 2018)。
今年8月,合作團隊進一步利用湯富酬課題組發(fā)展的單細胞多組學(轉錄組、基因組(CNV)與DNA甲基化組,scTrio-seq技術,Hou, et al. Cell Research, 2016)測序技術重構了人類胚胎著床過程的關鍵分子機制,系統解析了這一關鍵發(fā)育過程中的基因表達調控網絡和DNA甲基化組動態(tài)變化(Zhou et al. Nature, 2019)。發(fā)現人類胚胎在囊胚階段后期仍然具備體外自我生長能力,揭示了滋養(yǎng)外胚層、原始內胚層、以及上胚層三個不同細胞譜系的關鍵發(fā)育特征以及特征基因的動態(tài)變化特點,揭示了譜系特異性DNA甲基化動態(tài)變化的重要規(guī)律。并深入研究了雌性胚胎中X染色體劑量平衡的調控機制,首次捕捉到了X染色體隨機失活在人類胚胎最早期階段的關鍵特征。通過上述一系列前沿研究工作,這些研究團隊奠定了我國在人類生殖系細胞發(fā)育領域的國際領先地位,并為相關的人類不孕不育疾病的診斷和治療提供了分子基礎和理論依據。
圖三 人類胚胎生殖細胞發(fā)育單細胞轉錄組圖譜
圖四 人類精子發(fā)生單細胞轉錄組圖譜
北京大學生命科學學院、生物醫(yī)學前沿創(chuàng)新中心、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心文路副研究員與湯富酬教授為該綜述的共同通訊作者。
注:本文轉載自北大生科。