表观遗传调控对人早期胚胎发育至关重要，DNA 甲基化 (5mC) 是哺乳动物中重要的表观遗传修饰，影响组蛋白修饰、基因表达和染色质结构，被称为基因组第五碱基。DNA 羟甲基化（ 5hmC ）是 5mC 的羟基化形式，与多个关键的生物学事件相关，例如胚胎干细胞多能性、骨髓细胞生成、神经元分化与成熟以及受精卵的发育等，其生物学功能及其意义是表观遗传学领域的重要科学问题之一。
2023 年郭帆研究员团队系统性地揭示了小鼠早期胚胎发育全时程的 5hmC 动态与分子调控，为 5hmC 可作为去甲基化的中间物提供了最为直接的体内证据，且首次阐明了被动去甲基化途径和 5hmC 产生之间的内在关联。此外，研究发现植入前胚胎中 5hmC 的功能主要与 DNA 去甲基化强偶联，而着床后胚胎中伴随着新一轮从头 DNA 甲基化的建立 5hmC 也随之产生，且偏好性富集于基因的增强子上，这些高 5hmC 修饰的增强子区域关联的基因对于胚胎发育、细胞命运决定至关重要，说明 5hmC 与原肠胚形成或者器官发生阶段的基因转录调控联系紧密。
人早期胚胎在受精后，也会像小鼠一样经历基因组范围内的 DNA 甲基化重编程，然而 5hmC 在人早期胚胎中的动态与功能还未有研究报道，这一修饰在人-鼠间的保守性以及调控机制的异同仍不清楚，限制了我们对人胚胎发育起始阶段表观遗传机理的认识。
2024 年 7 月 30 日，北京干细胞与再生医学研究院/中国科学院动物研究所郭帆研究员团队、安徽医科大学第一附属医院曹云霞/梁丹团队和上海交通大学医学院附属第一人民医院贺小进合作（安徽医科大学第一附属医院教授梁丹、副教授纪冬梅，中国科学院动物研究所博士生燕蕊、博士后龙鑫为本文共同第一作者），在 Nature Cell Biology 发表了题为 Distinct dynamics of parental 5-hydroxymethylcytosine during human preimplantation development regulate early lineage gene expression 的研究论文。研究者利用微量细胞 5hmC 全基因组解析方法结合胚胎成像、染色质免疫沉淀和相关功能实验，对人早期胚胎中 5hmC 的动态与功能作用进行了系统解析。
DOI: 10.1038/s41556-024-01475-y
研究者发现人卵细胞在生长过程中经历了从头 DNA 羟甲基化从而累积了显著水平的 5hmC，这与小鼠卵细胞的 DNA 羟甲基化谱式显著不同。具体表现为人卵细胞中 5hmC 水平（5.75%）比小鼠卵母细胞中高出了 3.6 倍；在人卵细胞中存在 20,763个高羟甲基化修饰区域，而小鼠卵细胞中仅有 511个。这种差异可能归因于人鼠卵细胞中组蛋白修饰的分布模式和动态的物种特异性。
此外，人卵母细胞中 DNA 羟甲基化的从头建立与起始性 DNA 甲基化紧密关联，可能共享相同的调控机制，这也暗示 DNA 羟甲基化或许对于人卵细胞的发育和成熟有重要影响；受精后，母本基因组会继承卵细胞中的 5hmC，而父本基因组中的 5hmC 则会部分“参照”母本基因组产生，这些继承自人卵细胞的 5hmC 分子标记参与了早期胚胎中相应基因和重复元件的表达调控，这体现了表观遗传层面人卵细胞的健康对于早期胚胎发育的重要性。小鼠受精卵中 5hmC 偏好性的累积在父本基因组上，母本基因组则在整个植入前胚胎发育过程中始终维持较低水平的 5hmC，从而呈现出不对称性分布的特征；而人早期胚胎双亲本基因组中 5hmC 的水平相当，这说明人/鼠早期胚胎中由 TET 介导的 DNA 主动去甲基化的程度以及速率存在差别，这种差别可能与哺乳动物早期胚胎发育过程中物种特异性的事件的产生关联。
人早期胚胎中的 5hmC 除了作为 DNA 去甲基化的中间体参与 DNA 甲基化擦除事件外，还在维持性 DNA 甲基化区域产生，说明这些区域可能需要维持 DNA 甲基化建立与擦除的动态平衡以快速的响应染色质调控因子或者转录因子等的调控作用。
以上结果说明人与小鼠早期胚胎中 5hmC 的起源与动态并不保守，若想解析 5hmC 在人早期胚胎中的功能作用，需要利用人早期胚胎进行更深入的研究。
接下来，研究者发现人早期胚胎中部分 5hmC 修饰会维持至八细胞时期，并且富集在 OTX2、TFAP2C 和 KLF4/5 等转录因子的结合基序上。以 OTX2 为例，小鼠中，植入后的上胚层细胞中特异性的表达 Otx2，功能是限制上胚层细胞向生殖系细胞的特化，而人源 OTX2 则是一个母源表达的蛋白，其在植入前胚胎发育中的功能未有报道。研究人员通过 5hmC 的耗竭或者异位产生实验以及人早期胚胎中 OTX2 的敲降实验，找到了 999 个受 OTX2 调控的下游基因，包括 KRT8、DUSP4、DUSP6 以及 CXCR4 等，这些基因编码的蛋白在滋养外胚层细胞的特化、原始内胚层细胞的分化以及中胚层和定型内胚层的迁移等过程中发挥功能。以上结果证明了 5hmC-增强子-OTX2 的互作对于人早期胚胎发育的调控作用。
人早期胚胎发育过程中 5hmC 的起源、命运与功能
这些发现揭示了 5hmC 在人早期胚胎发育中的独特动态以及功能多面性，为理解人早期胚胎发育过程中的多能性建立、细胞谱系分化和转录-表观调控之间的关系奠定重要基础。此外，该工作也突出了 DNA 羟甲基化模式在物种间的差异，为解析早期胚胎中物种特异性的分子调控机制提供了新的方向。郭帆、曹云霞、梁丹和贺小进为该研究论文的共同通讯作者，该研究工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部和中国科学院提供的多项项目资助。
编辑： 刘智清
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