早期胚胎发育过程中组蛋白H3K9me3及DNA甲基化调控基因组印迹建立及维持的机制研究

Genomic imprinting as a critical epigenetic modification is necessary for mammalian embryo and adult development. Our previous studies found that DNA methylation and histone modifications play an important roles in early embryo development and imprinting gene expression. In the present application, we will use the reconstructed androgenetic and gynogenetic diploid embryos as models to research the mechanism of imprinted genes in early embryonic development. Firstly, we will investigate the allelic gene expression and screen the potential imprinted genes in early embryo development. Genome-wide methylation sequencing (WGBS) and Chip-seq are used to investigate the pattern of differentially methylated regions in imprinted genes. We will further study the regulatory effect of H3K9me3 modification related to the imprinting gene expression by injecting histone demethylase (Kdm4b) into embryos. We will aim to reveal the mechanism of imprinting gene establish and maintain in early embryo development and provide a scientific experimental basis for the diagnosis and treatment of genetic imprinted diseases.

基因组印迹是哺乳动物胚胎及成体发育所必需的表观遗传修饰。我们的前期研究发现DNA甲基化和组蛋白修饰对早期胚胎发育及印迹基因的表达具有重要调控作用。在本申请中我们将以原核移植重构的孤雌和孤雄二倍体胚胎为研究对象，用微量组学技术对早期及着床后胚胎印迹建立及维持的机制进行研究：从转录组水平研究不同亲本来源基因的表达情况并筛选新的潜在印迹基因，并通过不同品系杂交胚胎进行验证；通过全基因组甲基化测序(WGBS)及微量细胞Chip-seq技术研究亲本间差异DNA甲基化和H3K9me3修饰在早期胚胎发育中的建立模式；进一步通过H3K9me3去甲基化酶Kdm4b研究H3K9me3对印迹基因的调控作用；通过CRISPR/Cas9敲除技术对新发现的潜在印迹基因进行验证和功能性研究。从而揭示早期胚胎印迹基因建立及维持的分子机制，为以后印迹基因相关疾病的诊断及治疗提供实验基础。

在早期胚胎发育过程中DNA甲基化和组蛋白修饰发挥了重要调控作用，亲本来源的表观遗传信息在受精后经历了大规模的擦除和子代表观基因组重建的过程，但其对胚胎发育的作用在很大程度上还是未知的。我们通过关联分析明确了小鼠着床前胚胎中组蛋白H3K9me3修饰对印迹区域DNA甲基化维持的作用，揭示了高H3K9me3信号和富含CpG的DNA甲基化位点是着床前胚胎发育过程中DNA甲基化维持的热点区域。通过构建孤雌孤雄胚胎，我们进一步分析了等位基因特异性的表观遗传图谱，并鉴定了1279个等位基因特异性DNA甲基化维持热点，包括19个已知的印迹控制区域(ICR)。我们筛选出22个与已知的ICR具有相似功能的可能的印迹调控区域(ICRLR)，并证实其中的5个在小鼠胚胎发育过程中发挥重要作用。综上所述，我们的研究揭示了等位基因特异性DNA甲基化维持热点的广泛存在，并在很大程度上扩展了哺乳动物植入前胚胎中等位基因特异性调控的范围。项目研究成果发表在包括Nature Cell Biology，Cell Stem Cell，Cell Reports等国际知名学术期刊上，研究成果获批2项国家发明专利。在项目实施过程中，共培养博士研究生2人，项目负责人获得多项国家课题和人才项目支持。