组蛋白H3K4me3甲基化修饰与哺乳动物早期胚胎发育
张立苹 林郑云 华再东
摘要：表观遗传调控是细胞分化过程中的主要机制之一，尤其在生殖细胞分化调控中尤为重要。而组蛋白甲基化修饰是表观遗传信息的重要载体和生命活动的重要调控因子，对细胞的状态和胚胎的发生与发育具有决定性的作用，就组蛋白H3K4me3甲基化修饰与哺乳动物早期胚胎发育研究进展进行了综述。
关键词：组蛋白;甲基化;表观遗传学;动物胚胎;细胞分化;早期发育
中图分类号：Q344 ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ? ? 文章编号：1007-273X（2019）07-0016-02
近年来，随着表观遗传学研究的深入，其已经成为当今生物医学领域的研究热点。越来越多的研究结果表明，表观遗传学因素在细胞的分裂增殖过程中起着重要的调控作用。
哺乳动物胚胎发育是一个受到严密控制的过程，单个受精卵通过这一过程生成大量功能迥异的细胞，在胚胎发育的早期，细胞的分裂和分化最为活跃，如果表观遗传修饰发生了异常，可能会导致胚胎发育相关基因的异常表达，进而影响胚胎发育，严重者甚至造成流产、死胎及胎儿畸形等。因此，哺乳动物早期胚胎的发育也与表观遗传因素有关，其中细胞分化过程中的组蛋白甲基化修饰在其中的影响不可忽视。本研究跟踪了近年来表观遗传学中方法和手段在哺乳动物早期胚胎发育中取得的进展，明确了目前表观遗传学研究发展中面临的挑战及表观遗传学在哺乳动物早期胚胎发育中的研究前景。
1 ?哺乳动物早期胚胎发育过程中组蛋白甲基化修饰
表观遗传学的概念起源于对进化和发育的研究，早期的表观遗传学涵盖了个体从受精卵到发育成熟过程中的所有事件，随着对遗传物质的鉴定和DNA双螺旋结构的解析，表观遗传学的研究形成了DNA甲基化、组蛋白及其修饰、染色质重塑和非编码RNA等几个主流调控[1]。
组蛋白修饰是指在组蛋白的氨基酸残基上所进行的诸如甲基化、乙酰化、泛素化以及巴豆酰化等一系列改变以及组蛋白本身在配子或胚胎形成过程中的变化，从而影响下游蛋白的表达及功能的发挥，进而决定细胞的状态，影响胚胎的发生和发育，是表观遗传信息的重要载体和生命活动的重要调控因子。
组蛋白甲基化修饰是由组蛋白甲基化转移酶（Histone melthyltransferases，HMT）催化，常發生在H3、H4组蛋白N端赖氨酸或精氨酸残基，包括单甲基化、双甲基化和三甲基化，参与转录调控、基因组完整性维持及表观遗传模式的传递，是表观遗传学重要调控机制之一，在胚胎的早期发育过程中扮演着重要的角色[2，3]，在哺乳动物早期胚胎发生和发育中发挥着非常重要的作用，如H3K4me3（活化模式）或H3K27me3（抑制模式），它们分别标志着不同父系基因启动子。活化模式为精子形成过程中基因表达所需，而抑制模式则扮演着调节子的角色[4]。研究表明，小鼠胚胎早期WDR82（HMT复合体的亚基之一）基因沉默，将引起转录因子POU5F1基因的转录起始位点H3K4me3减少，并伴随着胚泡数量数目减少、胚胎细胞凋亡及胚胎发育迟缓等现象发生[5]。
组蛋白修饰的意义在于在不改变基因组信息的前提下通过调节染色质的紧缩程度，从而最终达到调控基因表达的目的。
卵母细胞的成熟关系到受精和早期胚胎发育的顺利进行，是生殖医学领域最重要的研究方向之一。2016年，Xu等[6]研究证实组蛋白修饰水平的稳定对卵母细胞的转录组稳定和进一步成熟具有不可或缺的作用。同时，该研究应用卵母细胞体外注射的方式证实了异常的组蛋白修饰对卵母细胞成熟的重要作用。
2016年，Zhang等[7]、Liu等[8]、Dahi等[9]突破了少量细胞表观谱分析的技术瓶颈，分别在Nature和Molecular Cell上发表文章，揭示了受精后胚胎及胚胎发育早期组蛋白修饰的变化以及染色质开放程度对基因表达的调控，完整地勾勒出早期胚胎发育过程中从配子到囊胚时期的两种组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me3动态变化的表观遗传学图谱，并且证明了早期胚胎具有非常独特的表观调控机制和模式。他们发现，受精卵母细胞的H3K4me3在受精后到2细胞末期之间发生去甲基化，而精子的很多H3K4me3信号又在4细胞期到囊胚内细胞团的父母基因组上重现，这些研究在一定程度上阐述了组蛋白修饰（主要是H3K4me3和H3K27me3）在受精后的调控规律，为下一步研究表观遗传学信号的传代机制奠定了基础。
2 ?组蛋白修饰H3K4me3在哺乳动物早期胚胎发育过程中的动态变化
根据已有的文献报道，组蛋白H3K4me3能够调节染色质状态处于松散状态，从而促进基因转录。然而，由于实验手段的限制，组蛋白修饰是否能够从亲代传递到子代，以及如何传递是表观遗传学领域长久以来悬而未决的科学问题。
Zhang等[7]的研究揭示了核心组蛋白H3第4位赖氨酸上三甲基化（H3K4me3）的代间遗传机制，同时，研究还发现H3第27位赖氨酸上三甲基化（H3K27me3）在受精卵的形成及后续发育过程中的动态调控机制[10]，他们发现，父本基因组上的H3K4me3在受精时被擦除，而后又逐渐恢复，尤其在两细胞胚胎阶段以后，但是仍比母本基因组上H3K4me3的丰度低，二者直到胚胎着床后才恢复到相当的水平。同时，他们还发现，在成熟的卵母细胞中，H3K4me3呈现低水平的广泛分布，这种分布模式被称之为“非经典H3K4me3”，并且在受精卵和早期的两细胞胚胎阶段，也发现非经典H3K4me3分布，但是到了两细胞胚胎后期阶段，非经典H3K4me3开始减少，直至四细胞胚胎阶段基本消失，与此同时，母本基因组从两细胞胚胎后期开始逐渐呈现经典的H3K4me3分布。
3 ?组蛋白去甲基化酶KDM5B在哺乳动物早期胚胎发育中的作用
自從20世纪60年代发现组蛋白甲基化修饰以来，一直认为组蛋白甲基化反应是不可逆转的。2004年第一次发现LSD1去甲基化酶能够特异地去除组蛋白赖氨酸H3K4的甲基化修饰（H3K4-me1/2）[11]，2006年发现含有JMJC结构域的去甲基化酶能够特异地去除组蛋白本身赖氨酸H3K36的甲基化修饰[12]。这些研究结果说明组蛋白的甲基化是可逆的，组蛋白的甲基化模式处于一个动态的变化过程。近年来的研究显示组蛋白去甲基化修饰酶在早期胚胎发育过程中起着重要的作用[13-16]。
组蛋白修饰的变化是特定的甲基化转移酶和去甲基化转移酶来介导完成的，那么组蛋白修饰H3K4me3在哺乳动物早期胚胎发育过程中的动态变化是由哪种酶介导完成的呢？根据文献报道，组蛋白修饰H3K4me3的去甲基化可以KDM5家族蛋白（包括KDM5A、KDM5B、KDM5C和KDM5D）催化介导。但是，对组蛋白去甲基化酶KDM5B对哺乳动物附植前胚胎发育的作用知之甚少。KDM5B（JARID1B/PLU1）是负责介导组蛋白H3K4me2/3发生去甲基化的去甲基化酶，已有实验研究发现KDM5B对多种生物学过程都有很重要的作用。Liu等[8]发现，在小鼠受精卵中敲降KDM5B导致基因组上H3K4me3信号普遍延长及胚胎发育的阻滞。Huang等[17]研究发现，KDM5B在猪早期胚胎发育过程中的表达具有阶段特异性，敲降引起H3K4me3在4-细胞和囊胚阶段胚胎中的异常高表达，显著降低了猪的早期胚胎发育能力。Liu等[18]研究结果显示KDM5B为体细胞克隆胚胎4细胞发育阻滞的关键因子。
4 ?展望
随着全基因组测序技术的发展，对动物全基因组的蛋白及DNA的甲基化有了更深一层的了解，但对各种甲基化在细胞发育过程中的调控机制仍然不是十分清楚。不同的蛋白质甲基化对DNA的甲基化都具有一定的影响，从而对基因的表达起到促进或抑制作用，但这种作用的调控机制并不十分明确。目前，全基因组甲基化测序技术和分析方法的飞速发展使得人们对DNA甲基化和组蛋白甲基化的调控机制有了更深的了解。也为发现未知的调控机制提供了方法，并能发掘出更多未知的基因功能及其调控机制。然而目前在表观遗传学领域还存在许多问题尚未解决，有待于结合现有的新技术和方法去阐明更多的关键科学问题。
参考文献：
[1] 朱卫国.胚胎发育的精细表观遗传[J].中国科学，2016，46（12）：1449-1450.
[2] SUN X J，XU P F，ZHOU T，et al.Genome-wide survey and developmental expression mapping of zebrafish SET domain-containing genes[J].Plos One，2008，3（1）：1-16.
[3] SHAO G B，DING H M，GONG A H.Role of histone methylation in zygotic genome activation in the preimplantation mouse embryo[J].In Vitro Cell Dev Biol Anim，2008，44（34）：115-120.
[4] LESCH B J，DOKSHIN G A，YOUNG R A，et al.A set genes critical to development is epigenetically poised in mouse germ cells from fetal stages througe completion of meiosis [J].Proc Acad Sci USA，2013，110（40）：16061-16066.
[5] BI Y，LV Z，WANG Y，et al.Factor plays a crucial role in normal early embryonic development in mice[J].Biol Reprod，2011，84（4）：756-764.
[6] XU K，CHEN X，YANG H，et al.Maternal sall4 is indispensable for epigenetic maturation of mouse oocytes[J].J Biol Chem，2016， 292（5）：1798-1807.
[7] ZHANG B J ，ZHENG H， HUANG B，et al. Allelic reprogramming of the histone modification H3K4me3 in early mammalian development[J].Nature，2016，537（7621）：537-557.
[8] LIU X Y，WANG C F，LIU W Q.Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3 chromatin domains in pre-implantation embryos[J].Nature，2016，537（22）：558-564.
[9] DAHI J A，JUNG I，AANES H，et al，Broad histone H3K4me3 domains in mouse oocytes modulate maternal-to-zygotic transition[J].Nature.2016，537（7621）：548-552.
[10] ZHENG H，HUANG B，ZHANG B，et al. Resetting epigenetic memory by reprogramming of histone modifications in mammals [J].Mol Cell，2016，63：1066-1079.
[11] LEE M G，WYNDER C，BOCHAR D A，et al.Functional interplay between histone demethylase and deacetylase enzymes[J].Mol Cell Biol，2006，26（17）：6395-6402.
[12] TSUKADA Y，FANG J，ERDJUMENT-BROMAGE H，et al.Histone demethylation by a family of JmjC domain-containing proteins[J].Nature，2006，439（7078）：811-816.
[13] 胡勝男，严缘昌，李逸平.斑马鱼中囊胚的过渡与背腹部轴特化的调控[J].中国细胞生物学学报，2010，32（3）：337-342.
[14] TORRES-PADILLA M E，PARFITT D E，KOUZARIDES T，et al.Histone arginine methylation regulates pluripotency in the early mouse embryo[J].Nature，2007，445（7124）：214-218.
[15] HA M，NG D W，LI W H，et al. Coordinated histone modifications are associated with gene expression variation with and between species[J].Genome Res，2011，21（4）：590-598.
[16] YUAN G C.Targeted recruitment of histone modifications in humans predicted by genomic sequences[J].J Comput Biol，2009， 16（2）：341-355.
[17] HUANG J J，ZHANG H Y，WANG X L，et al.Impairment of preimplantation porcine embryo development by histone demethylase KDM5B knockdown through disturbance of bivalent H3K4me3-H3K27 modifications[J].Biol Reprod，2015，92（3）：72，1-11.
[18] LIU W Q，LIU X Y，WANG C F，et al.Identification of key factors conquering developmental arrest of somatic cell cloned embryos by combining embryo biopsy and single-cell sequencing[J].Cell discovery，2016，2：16010.
