人胚胎干细胞诱导分化为原生殖细胞过程中的DNA甲基化重编程研究

Primordial germ cells (PGC) are the founder cells of the germ line which give rise to gametes. Previous studies have shown that PGC undergo dramatic DNA demethylation, presumably to erase genomic imprints and reset the epigenome for the generation of gametes which is a key point of reproduction research. However, little is known about the molecular mechanism of epigenetic reprogramming in human PGCs, mainly due to the daunting obstacles to obtain human tissues and to purify PGC. In our previous work, we have successfully established a system to derive human induced PGC (hiPGC) from human embryonic stem cells (hESC) using hESC reporter lines based on a PGC marker gene. This unique system allowed us to study the molecular mechanism and epigenetic reprogramming of hiPGC in vitro. Meanwhile, in the first phase of this funding program, we have also established efficient bioinformatics approaches to analyze large scale epigenomic datasets and epigenetic regulatory network. Here, we aim to use hiPGC as a model system to investigate the dynamic regulation of DNA methylation when hiPGC are formed using cell biology methods, high-throughput approaches, and bioinformatics analysis. Our proposed study will decipher the dynamic regulation of DNA methylation in hiPGC and set the starting stage to unveil the mechanisms of human PGC development and epigenetic reprogramming.

原生殖细胞（primordial germ cell, PGC）的形成伴随着全基因组DNA去甲基化为代表的表观遗传重编程，与人类生殖健康密切相关。由于人PGC数量极其有限，目前对原生殖细胞DNA甲基化重编程的分子机理研究多以小鼠模型为主。在前期工作中，项目成员率先建立从人胚胎干细胞诱导分化为人原生殖细胞（human induced PGC, hiPGC）的模型，为人PGC发育和表观遗传重编程机制研究建立了关键基础。在本项目中，我们将紧密围绕hiPGC的DNA甲基化重编程这一核心问题，整合已结题项目中DNA甲基化数据处理，表观遗传调控网络构建与定量分析等工作基础，结合项目成员在功能基因组学、高通测序技术等方面的研究进展，以期望在本领域首次系统地描述人胚胎干细胞诱导分化为hiPGC的DNA甲基化重编程，发现参与调控重编程的新表观遗传因子，建立重编程的表观遗传调控网络，阐明关键表观遗传调控机制。

在本集成项目2016年的支持下，我们紧密围绕原生殖细胞形成过程中的表观基因组重编程开展研究。获得如下关键研究进展： A.基于单细胞RNA-Seq分析确定hiPGC与人类体内分化形成的PGC具有高度的相似性，并基于RNA-Seq和miRNA-Seq数据完成hiPGC表观遗传调控网络的系统构建，初步发现以hsa-let-7与在hiPGC形成早期和晚期的重要调控作用。B).系统分析了哺乳动物PGC，配子，以及早期胚胎中组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me3的重编程模式和分子机理。在世界上首次报道了哺乳动物组蛋白修饰从如何从亲代传递到子代的。C).发现了PGC中DNA甲基化和基因印记去除的一个新的分子机理。在小鼠中DNA甲基氧化酶Tet1存在两种不同的亚型，其中一种亚型只在PGC和早期胚胎中表达，而另一种只在体细胞中表达。发现PGC特异的亚型具有更强的去甲基化能力并且能够有效的去除基因印记，而体细胞特异的亚型则没有这个功能。D).计算分析了哺乳动物非CG甲基化的保守性和细胞类型特异性。系统研究发现，哺乳动物的非CG甲基化并非是CG甲基化泄露的产物，而是在物种间高度保守，且被精细地调控。E).开发超高分辨率影像技术SDOM为从图像水平观测hiPGC诱导分化过程中的5mC改变做好准备。F).开发三维基因组测序数据分析技术ChIA-PET2 等为在染色质结构水平阐明hiPGC诱导分化过程中的表观遗传改变建立的基础。.