小鼠早期胚胎发育过程中组蛋白H3K4me3修饰长度变化的调控机制及其作用

Histone modifications have critical roles in regulating the expression of developmental genes during embryo development in mammals . However, genome-wide analyses of histone modifications in pre-implantation embryos remain unclear because of the limited number of cells. We have established a small scale chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP–seq) method and mapped the genome-wide profiles of H3K4me3 and H3K27me3 in mouse pre-implantation embryos. We found the breadth of the H3K4me3 domain is a highly dynamic feature, and associated with gene expression level. Knockdown of H3K4me3 demethylase widened the H3K4me3 domains at the morula stage and caused unsuccessful lineage differentiation.These results indicated that the dynamic of H3K4me3 length play an important role in pre-implantation embryos. In this project, we intend to screen the enzymes which are responsible for the dynamic of H3K4me3 length by RNA interference in mouse early embryos. Moreover, using the CRISPR-Cas9 system, we will generate the knockout mice of key enzymes to .investigate the mechanism and function of the dynamic of H3K4me3 signal length in mouse pre- and post-implantation embryos.

在植入前胚胎发育过程中，组蛋白修饰对基因的表达起着很重要的调控作用。但是由于细胞数量的限制，对植入前胚胎的组蛋白修饰研究还很有限。利用申请人建立的微量细胞ChIP-seq技术，我们对植入前胚胎的组蛋白修饰进行了全基因组水平的检测，结果发现，在小鼠植入前胚胎发育过程中，组蛋白H3K4me3修饰的长度发生了剧烈的变化，这些长度的变化与基因的表达水平密切相关。干扰相关酶的表达会导致H3K4me3修饰的长度异常，胚胎会在植入前的发育过程中死亡。这些结果都表明H3K4me3修饰的长度在小鼠植入前胚胎发育过程中起了很重要的作用。在本项目中，我们将对小鼠胚胎中H3K4me3修饰的长度的调控机制及其作用进行研究，通过RNA干扰的方式筛选调控H3K4me3修饰的长度变化相关的酶，并利用CRISPR-Cas9技术构建相应基因的敲除小鼠，以阐明H3K4me3修饰长度变化在胚胎发育过程中的作用和调控机制。

哺乳动物早期胚胎发育过程中，表观修饰经历了广泛的重编程，使胚胎基因组能够准确表达胚胎发育所需要的调控因子和蛋白，但是由于哺乳动物早期胚胎细胞数量有限，这一时期各种表观修饰的变化情况一直得不到准确的解析，项目申请人在前期工作中利用微量细胞ChIP-seq技术，全面解析了小鼠植入前胚胎的多种组蛋白修饰变化情况，并初步探讨了其调控机制，我们发现植入前胚胎在H3K4me3修饰上与培养的细胞明显不同，其存在大量宽的H3K4me3修饰，这些宽的修饰的作用及其建立和去除的机制并不清楚，本项目的主要研究内容就是对早期胚胎中组蛋白H3K4me3修饰的长度变化的机制进行解析，探讨早期胚胎发育中组蛋白修饰的调控机制。通过本项目研究，我们发现Kdm5b是植入前胚胎中H3K4me3修饰长度变化的关键酶，通过干扰Kdm5b的表达，我们发现其对胚胎发育的影响主要体现在胎盘发育的异常上。另外我们也利用体细胞核移植胚胎为模型，阐明了核移植胚胎中H3K4me3修饰的变化情况，证实了核移植胚胎中有异常存在的宽的H3K4me3修饰，这说明H3K4me3修饰长度的调节在核移植胚胎中是有缺陷的，过表达Kdm5b也能明显提高克隆胚胎的发育率。除此之外，我们也对其他组蛋白修饰的调控机制进行了研究，我们发现H3K9me3修饰在早期胚胎中起到沉默逆转座子的作用，并且找到了Chaf1a为核心的复合体是H3K9me3修饰建立的核心因子。对核移植胚胎的高级结构研究也发现H3K9me3修饰是染色质高级结构重编程的障碍。在项目执行期间，负责人以第一或通讯作者发表论文5篇，其中基金标注4篇，一项成果入选“中国生命科学领域十大进展‘，并以共同完成人身份获得教育部自然科学一等奖。