基于组蛋白H3K9me3和DNA甲基化修饰协同作用研究早期胚胎发育过程中基因印记区域的调控

Genomic imprinting affects a distinct subset of genes in mammalians and causes their parental-origin-specific expression, which is usually epigenetically regulated by imprinting control regions (ICRs) and of vital importance in the development of embryo, placenta, and neonate. How genomic imprinting is regulated and maintained during mammalian embryo development remains to be elucidated. We have previously reported the global H3K9me3 maps in mouse early embryo development, and we demonstrated that allelic specific H3K9me3 is closely related to the regulation of imprinted genes as well as the maintenance of allelic DNA methylation level on ICRs. Based on our studies, we propose to systematically evaluate the synergistic effect of H3K9me3 and DNA methylation level on ICRs, and identify potential factors that involved in the maintenance of gamete specific DNA methylation upon global DNA de-methylation. In addition, by combing H3K9me3 and DNA methylation data, we could predict and experimentally validate novel ICRs and imprinted genes in mouse early embryo development. Our study will significantly advance the understanding of genomic imprinting control during mammalian embryo development, and eventually helped in the treatment of imprinted gene associated diseases.

印记基因是哺乳动物中存在的一类特殊基因，它们的表达受到基因印记调控区域的表观遗传学调控，并被严格限制在父本或母本的单个等位基因上表达。印记基因在哺乳动物早期胚胎、胎盘及神经发育的过程中起到了重要的作用，然而早期胚胎中的基因印记调控机制却并不清楚。申请人前期的工作对于胚胎发育过程中重要组蛋白修饰H3K9me3进行了系统性的描述，结果表明等位基因特异的H3K9me3修饰密切参与了印记基因的调控，并且可能参与了基因印记调控区域的DNA甲基化水平的维持。在此基础上，本项目提出基于小鼠早期胚胎发育过程中高通量H3K9me3及DNA甲基化数据，系统性论证基因印记调控区域在胚胎发育过程中的维持和调控机制，并结合实验验证，预测和鉴定新的印记基因。本项目的研究将有助于进一步深入理解印记基因的表观遗传学调控机制，为理解表观遗传学预编程作用及印记基因关联疾病提供重要的理论基础。

印记基因是哺乳动物中在母本或父本单个等位基因上特异表达的一类基因，它们通常受到基因印记控制区（ICR）的表观遗传调控。印记基因在早期胚胎发育过程中起着非常重要的作用，但目前对其中具体的调控机制并不清楚。项目申请人在前期的工作中，系统地描述了胚胎发育过程中的H3K9me3组蛋白修饰谱，发现了等位基因特异的H3K9me3可能通过参与印记调控区域DNA甲基化水平的维持，来参与印记基因的调控。本项目拟在前期相关工作的基础上，进一步探讨胚胎发育过程中，组蛋白修饰H3K9me3对于ICR区域等位基因特异的DNA甲基化建立及维持起到的作用，并研究表观遗传修饰之间的相互作用对印记基因调控的潜在影响。在本项目中，我们全面分析了小鼠植入前胚胎中DNA甲基化与H3K9me3重编程之间的关系，并揭示了具有高H3K9me3信号和高DNA甲基化水平的CpG富集的基因组位点（CHM）是植入前胚胎发生过程中DNA甲基化维持的热点区域。我们进一步构建了孤雌和孤雄胚胎，并对等位基因特异的表观遗传图谱进行了分析，从中鉴定出1,279个等位基因特异的CHM，其中包含19个已知的ICR。我们从鉴定的等位基因特异的CHM中筛选出22个类ICR区域（ICRLR），这些ICRLR可能与已知的ICR类似，发挥着等位基因特异的转录调控作用。通过进一步的实验验证，我们证实了其中5个ICRLR对小鼠胚胎发育的重要作用。总之，我们的研究揭示了等位基因特异的CHM在植入前胚胎中的广泛存在，进一步加深了人们对胚胎发育过程中印记基因表观遗传调控机制的认识与理解。在项目执行期间，项目负责人以第一或通讯作者身份发表论文3篇，其中基金标注2篇。