3月4日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Cell Research在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）童明漢研究組、復(fù)旦大學(xué)藍(lán)斐團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)湯富酬團(tuán)隊(duì)的最新研究成果：“SETD1B-Mediated Broad H3K4me3 Controls Proper Temporal Patterns of Gene Expression Critical for Spermatid Development”。該研究通過(guò)繪制小鼠精子發(fā)生全過(guò)程的高分辨率表觀遺傳圖譜，系統(tǒng)闡述了表觀遺傳修飾在精子發(fā)生過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，揭示了不同發(fā)育階段基因沉默機(jī)制的多樣性，闡明了SETD1B介導(dǎo)的broad H3K4me3在精子細(xì)胞發(fā)育中的關(guān)鍵作用。
精子發(fā)生是雄性生殖細(xì)胞發(fā)育的核心過(guò)程，依賴(lài)于基因表達(dá)的精確調(diào)控。然而，由于睪丸組織的復(fù)雜性，此前對(duì)精子發(fā)生過(guò)程中基因表達(dá)調(diào)控的細(xì)節(jié)尚不清晰。童明漢團(tuán)隊(duì)曾通過(guò)熒光標(biāo)記小鼠和精子發(fā)生同步化技術(shù)，建立了分離高純度、任意發(fā)育階段生精細(xì)胞的策略，并與藍(lán)斐團(tuán)隊(duì)、湯富酬團(tuán)隊(duì)、李勁松團(tuán)隊(duì)合作，先后繪制了精子發(fā)生過(guò)程的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜和減數(shù)分裂中DSB命運(yùn)決定的表觀遺傳圖譜。這些工作為深入研究精子發(fā)生調(diào)控機(jī)制提供了重要的基礎(chǔ)。
表觀遺傳修飾通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控基因的激活與抑制，被認(rèn)為在精子發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮重要調(diào)控作用。然而，該過(guò)程中表觀遺傳修飾譜的動(dòng)態(tài)變化及其功能機(jī)制尚未被系統(tǒng)地研究過(guò)。在最新研究中，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了首個(gè)覆蓋小鼠精子發(fā)生全過(guò)程的高分辨率表觀遺傳圖譜，涵蓋7種組蛋白修飾（H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3、H3K27me3、H3K9me2、H3K9me3、H3K36me3）、DNA甲基化和染色質(zhì)可及性；全面而系統(tǒng)地展示了精子發(fā)生過(guò)程中轉(zhuǎn)錄組變化和染色質(zhì)重塑的表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，在抑制型組蛋白修飾中，H3K27me3和H3K9me2在有絲分裂向減數(shù)分裂轉(zhuǎn)換及減數(shù)分裂重組完成過(guò)程中發(fā)生了兩次重排。第一次重排始于B型精原細(xì)胞，表現(xiàn)為H3K9me2顯著增加和H3K27me3全局丟失，而H3K9me3保持穩(wěn)定。這種變化可能與減數(shù)分裂基因的沉默有關(guān)，尤其在不活躍基因上更為顯著。第二次重排發(fā)生在中偶線期粗線期精母細(xì)胞（mP），此時(shí)H3K9me2全局性丟失，而H3K27me3迅速重新建立，標(biāo)記那些在mP階段前由H3K4me3覆蓋、但在mP階段后需要沉默的基因。這表明不同發(fā)育階段的基因沉默由不同的表觀遺傳機(jī)制介導(dǎo)。
在活躍型組蛋白修飾中，H3K4me3和H3K27ac的變化顯著高于其他修飾，尤其是在圓形精子階段。研究發(fā)現(xiàn)，圓形精子階段的H3K4me3升高主要以“broad H3K4me3”形式存在，寬度通常大于5 kb，遠(yuǎn)超常規(guī)H3K4me3修飾（約1-2 kb）。Broad H3K4me3主要修飾精子形成關(guān)鍵基因的啟動(dòng)子/增強(qiáng)子區(qū)域，與基因的高表達(dá)密切相關(guān)，并在人類(lèi)精子細(xì)胞中高度保守。進(jìn)一步研究利用條件性基因敲除小鼠模型證實(shí)，SETD1B是特異性介導(dǎo)broad H3K4me3的修飾酶，其敲除導(dǎo)致雄性不育。機(jī)制研究表明，broad H3K4me3修飾能夠招募更多的RNA聚合酶II（Pol II）和轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物（PIC）成分，促進(jìn)基因的高效表達(dá)。SETD1B缺失時(shí)，broad H3K4me3修飾消失，導(dǎo)致Pol II和PIC組分重新分布到常規(guī)的typical H3K4me3修飾區(qū)域，使得原本應(yīng)在特定階段高效表達(dá)的基因無(wú)法正常表達(dá)，而不表達(dá)的基因卻錯(cuò)誤地高表達(dá)，影響了基因表達(dá)的時(shí)序性。
綜上所述，本研究構(gòu)建了首個(gè)覆蓋小鼠精子發(fā)生全過(guò)程的高分辨率表觀遺傳圖譜，全面而系統(tǒng)地揭示了精子發(fā)生過(guò)程中轉(zhuǎn)錄組變化和染色質(zhì)重塑的表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)，為精子生物學(xué)研究領(lǐng)域提供了全面完整的表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為生殖生物學(xué)和表觀遺傳學(xué)的研究提供了新的研究方向和思路。而SETD1B介導(dǎo)的broad H3K4me3修飾的發(fā)現(xiàn)及其功能闡述，為表觀遺傳修飾如何協(xié)調(diào)發(fā)育過(guò)程中基因轉(zhuǎn)錄時(shí)序性提供了重要見(jiàn)解。
分子細(xì)胞卓越中心林震博士，復(fù)旦大學(xué)榮博文博士、呂瑞途博士為文章的共同第一作者；童明漢研究員、藍(lán)斐教授、湯富酬教授、呂瑞途博士為共同通訊作者。該研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委等的支持；分子細(xì)胞卓越中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)為本工作提供了支持。
圖:SETD1B介導(dǎo)的Broad H3K4me3調(diào)控精子形成中的轉(zhuǎn)錄時(shí)序性
