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Cell:中科院北京基因组所刘江研究组和上海科大黄行许研究组揭示哺乳动物胚胎染色体3D结构重编程规律

摘要 : 2017年7月14日,国际著名学术杂志《Cell》杂志在线发表了中国科学院北京基因组研究所刘江研究组和上海科技大学黄行许研究组合作的一篇研究论文,研究报道了揭示了哺乳动物成熟精子和卵子的染色体3D结构,并发现早期胚胎发育过程中染色体结构的重编程变化。
 2017年7月14日,国际著名学术杂志《Cell》杂志在线发表了中国科学院北京基因组研究所刘江研究组和上海科技大学黄行许研究组合作的一篇研究论文,研究报道了揭示了哺乳动物成熟精子和卵子的染色体3D结构,并发现早期胚胎发育过程中染色体结构的重编程变化。 人类脱氧核糖核酸(DNA)拉成直线长约2米,而细胞核的直径仅有5至10微米。包括人类在内,大多数动物的生命始于精子与卵子的结合,但精子与卵子的细胞核结构与人体其他的体细胞存在极大差异。 具体来看,精子细胞核只有普通细胞核的十分之一大小,其染色体被精蛋白包装。成熟卵子细胞核处于分裂中期,其染色体处于高度压缩状态。长期令科学家们困惑的是,精子与卵子结合以后,细胞核中的染色体如何变成“正常的染色体”,也就是“人是如何从受精卵发育成个体”。 因此基因组DNA如何合理的折叠存放到细胞核里,是一个非常重要的科学问题。同时,现有研究表明,基因组DNA的三维空间折叠对细胞核如何指挥细胞功能的发挥起着非常重要的作用。 对于大多数动物包括我们人类来讲,生命起始于精子和卵子的结合。然而,精子的细胞核、卵子的细胞核结构却和我们身体中其它的体细胞存在非常大的差别。精子细胞核非常小、只有普通细胞核的1/10左右,染色体被精蛋白包装,处于一种高度压缩的状态;而成熟卵子的细胞核却处于分裂中期,染色体也处于一种高度压缩的状态,与多数细胞仍然具有非常大的差别。因此精子和卵子受精后,细胞核中的染色体如何变化,如何变成正常的细胞染色体,是个一直未被了解的科学问题。同时,了解哺乳动物发育过程中染色体高级结构的变化,有利于我们理解人是如何从受精卵发育成个体。 基于这样的研究背景,中国科学院北京基因组研究所刘江研究组和上海科技大学黄行许研究组合作,对上述问题进行研究。由于哺乳动物配子和早期胚胎的数量非常有限,研究团队解决了使用少量细胞建立3D染色体结构图谱的难题,从而获得小鼠精子、卵子和早期胚胎的高分辨率染色体高级结构图谱。 研究结果显示,成熟的卵子没有拓扑结构域(TADs),而在精子中普遍存在超远程染色体的相互作用。同时研究发现,受精卵和2细胞时期胚胎中染色体高级结构几乎不存在,随着发育的进行,染色体高级结构逐渐的建立起来。同时,染色体高级结构的建立不依赖于受精卵基因组转录的激活、而是依赖于基因组的复制。除此之外,本研究首次发现染色体的高级结构与DNA甲基化的关联,并且发现早期发育的DNA去甲基化也与染色体的高级结构相关。 此次研究成果为深入了解哺乳动物如何从受精卵发育成一个多功能的个体打下了重要的基础,为研究者认识早期胚胎中真实的3D基因组结构做了良好的铺垫,哺乳细胞早期胚胎发育高分辨率染色体高级结构图谱数据将为表观遗传、生物信息研究领域提供宝贵的资源,帮助揭示胚胎发育的奥秘。 评论文章指出:“研究为学界深入了解哺乳动物如何从受精卵发育成一个多功能的个体打下重要基础,将有助于人们揭示胚胎发育的奥秘”。 原文链接: 3D Chromatin Structures of Mature Gametes and Structural Reprogramming during Mammalian Embryogenesis 原文摘要: High-order chromatin structure plays important roles in gene expression regulation. Knowledge of the dynamics of 3D chromatin structures during mammalian embryo development remains limited. We report the 3D chromatin architecture of mouse gametes and early embryos using an optimized Hi-C method with low-cell samples. We find that mature oocytes at the metaphase II stage do not have topologically associated domains (TADs). In sperm, extra-long-range interactions (>4 Mb) and interchromosomal interactions occur frequently. The high-order structures of both the paternal and maternal genomes in zygotes and two-cell embryos are obscure but are gradually re-established through development. The establishment of the TAD structure requires DNA replication but not zygotic genome activation. Furthermore, unmethylated CpGs are enriched in A compartment, and methylation levels are decreased to a greater extent in A compartment than in B compartment in embryos. In summary, the global reprogramming of chromatin architecture occurs during early mammalian development. 来源: Cell 浏览次数:1
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