使用新開(kāi)發(fā)的方法，奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所(IMBA)的研究人員已經(jīng)能夠揭示在單細(xì)胞哺乳動(dòng)物胚胎受精后最初幾小時(shí)內(nèi)發(fā)生的基因組重組的復(fù)雜性。他們的研究結(jié)果最近發(fā)表在Nature雜志上。研究小組(來(lái)自三大洲)發(fā)現(xiàn)，與其他間期細(xì)胞相比，單細(xì)胞胚胎或受精卵中共存的卵子和精子基因組具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。了解這種專(zhuān)門(mén)的染色質(zhì)“基態(tài)”有可能提供對(duì)表觀遺傳重編程到全能的神秘過(guò)程的見(jiàn)解，即產(chǎn)生所有細(xì)胞類(lèi)型的能力。

卵子和精子的融合，兩種高度分化的細(xì)胞類(lèi)型，導(dǎo)致單細(xì)胞胚胎或受精卵的形成。在受精后的第一個(gè)小時(shí)內(nèi)，兩個(gè)獨(dú)立的基因組經(jīng)歷重編程事件，其可能起到消除分化細(xì)胞類(lèi)型的記憶并建立全能狀態(tài)的作用。全能性潛在的機(jī)制仍然知之甚少，但對(duì)于從受精卵產(chǎn)生新生物體至關(guān)重要。

單細(xì)胞基因組學(xué)的重大進(jìn)展

受精后，母系和父系基因組消除了先前分化狀態(tài)的一些表觀遺傳記憶，以促進(jìn)作為受精卵的新生命的開(kāi)始。在受精后的第一個(gè)細(xì)胞周期中，從卵母細(xì)胞(卵子)遺傳的母體基因組和由精子提供的父本基因組在受精卵中作為單獨(dú)的細(xì)胞核存在。這兩個(gè)基因組的特征在于重編程期間獲得的不同的表觀遺傳修飾。母系和父系基因組的3-D 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是否也是不同的尚不清楚。

由IMBA的KikuëTachibana-Konwalski領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)與來(lái)自波士頓麻省理工學(xué)院(MIT)和莫斯科羅蒙諾索夫大學(xué)(MSU)的研究人員合作，旨在揭示哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞中染色質(zhì)結(jié)構(gòu)如何重組。合子過(guò)渡。利用Maxim Imakaev在Leonid Mirny實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的新一代測(cè)序，生物信息學(xué)分析和數(shù)學(xué)建模，研究人員確定了在小鼠卵母細(xì)胞和受精卵基因組重組過(guò)程中出現(xiàn)的特定模式。

原料的低可用性使得有必要開(kāi)發(fā)新的單核Hi-C(snHi-C)方法，這使得有可能首次分析卵母細(xì)胞和單細(xì)胞胚胎中的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。使用該方法，當(dāng)在基因組上平均時(shí)，在單細(xì)胞中檢測(cè)到基因組組織的特征，包括區(qū)室，拓?fù)渚喓辖Y(jié)構(gòu)域(TAD)和染色質(zhì)環(huán)。“我們的方法使我們能夠比以前的方法更有效地檢測(cè)染色質(zhì)接觸十倍。因此，我們能夠找到基因組的差異 折疊在單個(gè)細(xì)胞的水平上：由于平均數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，傳統(tǒng)的Hi-C遺漏了這些細(xì)胞間的變異，“前維也納生物中心(VBC)暑期學(xué)生Ilya Flyamer說(shuō)，然后是碩士生和一個(gè)該研究的第一作者。

母親和父親染色質(zhì)的對(duì)比行為

“此外，與其他間期細(xì)胞相比，我們發(fā)現(xiàn)受精卵染色質(zhì)的三維組織存在獨(dú)特差異。更有趣的是，受精卵的母本和父本基因組似乎在同一細(xì)胞內(nèi)有不同的組織。受精后染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重組，并且這種重組在母體和父本基因組中發(fā)生差異，“IMBA博士生Johanna Gassler解釋說(shuō)，該研究的第一批作者之一。

資深作者和IMBA組長(zhǎng)KikuëTachibana-Konwalski對(duì)哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞到合子過(guò)渡的秘密著迷，并且多年來(lái)一直在研究生命的奇跡，特別是最初的分子步驟。她還希望這些發(fā)現(xiàn)能為新興的全能性領(lǐng)域帶來(lái)新的見(jiàn)解。“將受精卵的力量置于背景中：通過(guò)Yamanaka因子重新編程為多能性需要幾天時(shí)效率有限，而重新編程為全能性則發(fā)生在受精卵中幾小時(shí)之內(nèi)。如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)仍然是生物學(xué)中的關(guān)鍵未知之一。通過(guò)研究受精卵的染色質(zhì)狀態(tài)，我們的目標(biāo)是深入了解這種機(jī)制，它也可以用于再生醫(yī)學(xué)，“Tachibana-Konwalski說(shuō)道，強(qiáng)調(diào)了她對(duì)她最喜歡的研究課題的潛在應(yīng)用的興奮。