Cell子刊：中國(guó)科學(xué)家揭示染色體3D結(jié)構(gòu)重編程規(guī)律

我國(guó)科學(xué)家近日在染色體3D結(jié)構(gòu)以及在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中染色體結(jié)構(gòu)的重編程變化方面取得重大科學(xué)突破，相關(guān)成果于2017年7月13日發(fā)表在國(guó)際著名期刊《CELL》上。
人類(lèi)DNA如果拉成一條直線(xiàn)，長(zhǎng)度大約是2米，但一般的細(xì)胞核的直徑卻僅有5～10微米左右。因此基因組DNA如何合理的折疊存放到細(xì)胞核里，是一個(gè)非常重要的科學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，現(xiàn)有研究表明，基因組DNA的三維空間折疊對(duì)細(xì)胞核如何指揮細(xì)胞功能的發(fā)揮起著非常重要的作用。
對(duì)于大多數(shù)動(dòng)物包括我們?nèi)祟?lèi)來(lái)講，生命起始于精子和卵子的結(jié)合。然而，精子的細(xì)胞核、卵子的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)卻和我們身體中其它的體細(xì)胞存在非常大的差別。精子細(xì)胞核非常小、只有普通細(xì)胞核的1/10左右，染色體被精蛋白包裝，處于一種高度壓縮的狀態(tài)；而成熟卵子的細(xì)胞核卻處于分裂中期，染色體也處于一種高度壓縮的狀態(tài)，與多數(shù)細(xì)胞仍然具有非常大的差別。因此精子和卵子受精后，細(xì)胞核中的染色體如何變化，如何變成正常的細(xì)胞染色體，是個(gè)一直未被了解的科學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，了解哺乳動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中染色體結(jié)構(gòu)的變化，有利于我們理解人是如何從受精卵發(fā)育成個(gè)體。
基于這樣的研究背景，中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所劉江研究組和上?？萍即髮W(xué)黃行許研究組合作，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究。由于哺乳動(dòng)物配子和早期胚胎的數(shù)量非常有限，研究團(tuán)隊(duì)解決了使用少量細(xì)胞建立3D染色體結(jié)構(gòu)圖譜的難題，從而獲得小鼠精子、卵子和早期胚胎的高分辨率染色體結(jié)構(gòu)圖譜。
研究結(jié)果顯示，成熟的卵子沒(méi)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（TADs），而在精子中普遍存在超遠(yuǎn)程染色體的相互作用。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，受精卵和2細(xì)胞時(shí)期胚胎中染色體結(jié)構(gòu)幾乎不存在，隨著發(fā)育的進(jìn)行，染色體結(jié)構(gòu)逐漸的建立起來(lái)。同時(shí)，染色體結(jié)構(gòu)的建立不依賴(lài)于受精卵基因組轉(zhuǎn)錄的激活、而是依賴(lài)于基因組的復(fù)制。除此之外，本研究發(fā)現(xiàn)染色體的結(jié)構(gòu)與DNA甲基化的關(guān)聯(lián)，并且發(fā)現(xiàn)早期發(fā)育的DNA去甲基化也與染色體的結(jié)構(gòu)相關(guān)。
此次研究成果為深入了解哺乳動(dòng)物如何從受精卵發(fā)育成一個(gè)多功能的個(gè)體打下了重要的基礎(chǔ)，為研究者認(rèn)識(shí)早期胚胎中真實(shí)的3D基因組結(jié)構(gòu)做了良好的鋪墊，哺乳細(xì)胞早期胚胎發(fā)育高分辨率染色體結(jié)構(gòu)圖譜數(shù)據(jù)將為表觀遺傳、生物信息研究領(lǐng)域提供寶貴的資源，幫助揭示胚胎發(fā)育的奧秘。
研究獲中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、自然科學(xué)基金委和科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目支持。