哺乳动物早期胚胎各发育时期新合成的RNA图谱

Tranditional RNA-seq method measures the total RNA. It cannot distinguish the newly synthesized RNA after cell division from that before cell division. To measure the transcriptomes during early embryogenesis, traditional method cannot distinguish the RNA of maternal deposit from the RNA synthesized after zygotic genome activation. Both transcriptomes and epigenomes undergo dramatic changes during embryogenesis. To properly understand the epigenetic regulation on transcription, newly synthesized RNA within each embryonic stage, but not total RNA, should be measured. This project aims to establish nascent RNA sequencing method with low cell input. We will measure the newly synthesized RNA within each embryonic stages. Then, we will combine DNA methylomes, histone modification maps, Hi-C 3D chromatin structure, and chromatin accessibility landscapes to investigate the effect of epigenetic on transcription. This study will provide a precise resource for mammalian embryonic development.

经典的测量转录组的方法是测量细胞内的“总体”RNA，此方法无法分清RNA是来源于细胞分裂前累计的还是细胞分裂后新合成的。对于研究早期胚胎发育，此方法不能区分卵子来源的RNA和合子基因组激活后（zygotic genome activation）新合成的RNA。在早期发育时期，基因表达和表观基因组的动态变化都非常显著，为了准确地了解表观状态对基因表达的调控，需要使用能够测量正在转录的RNA（nascent RNA）方法，去测量各个胚胎时期内新合成的RNA。本项目拟建立使用微量细胞测量正在转录的RNA的建库方法，测量小鼠早期胚胎各时期新合成RNA图谱；并结合表观遗传数据，包括DNA甲基化图谱、组蛋白修饰图谱、染色体开放性和染色体3D结构图谱等信息，分析胚胎发育时期表观遗传信息的变化如何调控基因表达的变化。本研究将提供精准的早期发育数据库，有助于推动早期发育的研究进展。

哺乳动物胚胎发育是一个时间和空间高度有序的过程。在哺乳动物胚胎发育最初的细胞周期中，胚胎中许多蛋白的合成依赖于母体的mRNA，合子基因组几乎没有转录活性。随着合子的基因组启动转录产生新生RNA（nascent RNA），从而接管胚胎中的RNA，调控细胞分化和进一步的发育。然而经典的mRNA测序方法只能够获得细胞内的“总体”RNA，无法鉴别基因组激活时新生的RNA。这对研究合子基因组表达的调控造成了困扰，根据这些信息可能会得到错误结论。本研究中我们使用可以测量新生RNA的scSLAM-seq测量小鼠受精卵、2细胞期、4细胞期和E3.5天胚胎各个发育时期新生的RNA。我们发现在受精卵中有近100个基因新合成了RNA，2细胞晚期有1680个，4细胞期有3000多个，E3.5有5600多个，建立了小鼠早期胚胎各时期新生RNA的表达谱。为了比较小鼠和人类胚胎合子基因组激活(ZGA)的异同，我们还绘制了人类孤雌生殖(PG)和孤雄生殖(AG)胚胎在ZGA期间的亲本转录组。我们的数据表明，人ZGA在AG和双亲本胚胎的8细胞阶段启动，而在PG胚胎的桑葚胚阶段启动。与此相反，小鼠ZGA发生在PG和AG胚胎的同一时期。机制上，AG特异性表达的灵长类特异性基因ZNF675在8细胞阶段从父本基因组启动的人类ZGA中发挥作用。AG特异性表达的LSM1对人类母源RNA降解(MRD)和ZGA也至关重要。ZNF675和LSM1的等位基因表达与其等位基因表观遗传状态有关。ZNF675和LSM1在二倍体胚胎中也有父源特异性表达。因此，人类的ZGA起源于父本的基因组。我们的研究将为深入理解哺乳动物早期胚胎转录的调控机制以及动物早期发育的进化规律提供有力的支持，具有重要的意义。