斑马鱼胚胎发育早期开放染色质区域建立的机制和作用

Maternal to zygotic transition is one of the most important processes in embryo development. Epigenetics status, such as nucleosome positioning and histone modification, has changed dramatically in this process. As binding sites of trans regulatory elements, the establishment of the open chromatin region plays a crucial role in the zygotic genome activation. However, the role of open chromatin in the zygotic genomic activation is only reported in an invertebrate organism Drosophila, but not in vertebrates. Recently, Based on our previous studies, we chosen zebra fish as a model, and yielded time series data for chromatin open status before and after zygotic genomic activation, and have observed a gradual open progress during the establishment of open chromatin region in the promoter and enhancer regions of genome. On this basis, this project will be focusing on the following two aspects. Firstly, we will excavate the key factors that drive the opening progress of chromatin in the early embryonic development. Then we will further to study the epigenetic mechanism about the influence of the establishment of open chromatin region, mediated by those key factors in embryonic development and zygotic genome activation, through gene editing, together with high throughput epigenetic data and bioinformatics analysis. Our research will provide both data and theory improvement for understand the epigenetic mechanism during the embryonic development of vertebrates.

母型-合子型转换是胚胎发育中最重要的过程，研究表明在此过程中核小体定位、组蛋白修饰等表观遗传状态发生了剧烈的动态变化。开放染色质区域作为反式调控元件的结合位点，它的建立在合子基因组激活过程中起到了关键作用。关于开放染色质在合子基因组激活过程中的作用仅在无脊椎动物果蝇中有报道，在脊椎动物中尚未有报道。申请人以斑马鱼为模型，在实验室前期工作的基础上，产生了合子基因组激活前后多个时期的染色质开放状态的图谱，已观察到在此过程中基因启动子和增强子区上开放染色质逐步建立的过程。在此基础上本项目将针对以下两个问题开展基础研究：挖掘在胚胎发育早期驱动染色质开放的关键转录因子；进一步通过基因编辑，结合高通量表观遗传组学数据及生物信息学分析，探讨由这些关键因子所介导的开放染色质的建立对胚胎发育的影响及合子基因组激活的表观遗传机制。本项目将为理解脊椎动物胚胎发育过程中表观遗传调控机制提供数据积累和理论支持。

合子基因组激活是早期胚胎发育中最重要的事件之一。染色质开放区域作为反式调控元件的结合位点，它的建立在合子基因组激活过程中起到关键作用。本项目的整体研究目标是基于自产的高通量染色质开放区域的数据、公共的表观遗传组学及重要转录因子的ChIP-seq数据，揭示合子基因组激活过程中染色质开放区域的建立及机制。本项目的研究成果包括两方面。一方面，利用优化之后的ATAC-seq绘制了斑马鱼合子基因组激活过程中全基因组尺度的染色质开放区域图谱，揭示了斑马鱼合子基因组激活过程中继承的DNA甲基化信息预编程染色质局部开放区域建立的两种不同机制:在启动子区域，亲本的DNA低甲基化状态被继承到子代并维持到合子基因组激活时期，通过未甲基化的CpG招募Cxxc1b来介导启动子染色质局部开放区域的建立;在远端区域，亲本呈现不同的DNA甲基化模式，父本的高甲基化模式被子代继承并维持到合子基因组激活时期，转录因子Pou5f3、Nanog更倾向于结合在DNA高甲基化的位点，并通过招募染色质重塑因子Smarca4a 介导远端区域染色质局部开放区域的建立。另一方面，利用染色质开区域数据，发现局部染色质区域的开放程度影响CRISPR/Cas9基因敲除的效率，并设计了一个包含斑马鱼基因组上所有外显子上潜在的CRISPR/Cas9位点的网站。本项目的研究成果共发表学术论文两篇，其中一篇项目负责人以第一作者封面文章发表于Genome Research。本项目的研究不仅揭示了局部染色质区域的开放程度影响CRISPR/Cas9基因敲除的效率，还为理解脊椎动物胚胎发育过程中的表观遗传调控机制提供数据积累和理论支持。