DNA甲基化与早期胚胎发育的相关性研究

5-methylcytosine (5-mC) is one of the predominant epigenetic marks in mammalian genomic and plays important roles in genomic imprinting,transposon silencing, gene repression and especially in totipotency acquiring in the inner cell mass (ICM). Generation of genome-wide and single nucleotide resolution DNA methylation maps of preimplantation embryos will provide us the important information about how epigenetic mechanisms contribute to the formation of totipotency. However, due to limited number of embryos and available sequencing techniques, elucidation of methylome dynamics of primate preimplantation embryos is difficult. In this study, we will overcome this technical hurdle by using new bisulphite sequencing technique, and generate base-resolution and genome-scale maps of DNA methylation in preimplantation embryos of non human primates. Elucidation of methylome dynamics of preimplantation embryos will provide new and exciting information about how epigenetic mechanisms contribute to the formation of totipotency, and the achieved information can be applied to improve somatic cell reprogramming and establish the primate naive embryonic stem cell. Moreover, this study will shed light on means to cure birth defects caused by DNA methylation abnormality.

DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰,参与调控了多种生物学过程，包括保持基因组的稳定性，调控基因表达等，特别是在早期着床前胚胎内细胞团全能性获得中发挥了重要的作用。从全基因组单碱基水平深入研究哺乳动物特别是灵长类早期着床前胚胎的甲基化动态变化过程，有助于深刻理解DNA甲基化与全能性获得的相互关系。由于条件的限制尚未有灵长类早期着床前胚胎发育过程中全基因组甲基化水平动态变化过程的研究,抑制了灵长类遗传发育的分子机制的研究，特别是灵长类干细胞多能性的研究。本项目以猕猴为模型，围绕早期胚胎发育，利用微量DNA甲基化测序技术，建立早期胚胎发育单碱基分辨率全基因组甲基化图谱。探讨DNA甲基化与胚胎发育和全能性获得的相互关系。结果不仅为灵长类胚胎早期发育的分子机制提供新的观点和证据,而且为建立高效，安全的ips细胞以及灵长类naive胚胎的获得提供理论支持和新的途径。

近来对小鼠早期着床前胚胎发育时期DNA甲基化动态变化过程的研究表明，父本和母本基因组DNA同时发生了主动的去甲基化过程。这一发现颠覆了关于早期胚胎发育过程中DNA去甲基化调控的经典理论。该理论认为，父本基因组在胚胎发育中发生了主动去甲基化，而母本基因组DNA只是伴随着DNA复制过程被动的参与了去甲化过程。但这一机理是否是多物种保守的，特别是在灵长类中是不是保守得，善未有报道。本研究中，我们探讨了猕猴早期胚胎发育过中DNA甲基化变化的模式，从单碱基水平系统的研究了猕猴早期胚胎DNA甲基化重编程的生物学过程。发现了不同于小鼠的具有猕猴特异性的早期DNA甲基化重编程事件。. 首先不同于小鼠中单向的去甲基化过程，猕猴早期胚胎重编程过程呈现出了更加复杂的变化过程，DNA去甲基化伴随着再甲基化的过程，两者同时发生。其次我们的研究中也发现了猕猴父本和母本基因组发生了类似小鼠的主动去甲基化过程，说明这可能是早期着床前胚胎发育中一个保守的生物学事件。 接下来的分析表明受到DNA甲基化调控的基因显著的和早期胚胎代谢有关，涉及到早期胚胎从氧化磷酸化向糖酵解途径的转变。 与此同时我们还结合单细胞RNA-seq技术研究了早期胚胎发育中多能性基因的表达调控模式。因此发现了多种多能性获得的方式：父母本遗传，父本或者母本遗传，胚胎发育中逐渐获得。这是第一次关于早期胚胎发育过程中多能性获得的跟踪研究。最后我们对小鼠和猕猴早期发育中DNA重编程事件进行了比较，小鼠重编程过程明显快于猕猴，在2细胞时期已经几乎完成。而猕猴在囊胚时期仍未完全完成重编程事件。. 综上所述，本研究第一次从全基因组单碱基角度阐述了猕猴早期胚胎DNA甲基化动态平衡过程，对系统研究早期胚胎发育的DNA甲基化事件提供了有意义的参考价值。