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杜茁研究组揭示染色质活性的发育动态变化基本模式

  染色质如何调控细胞分化是表观遗传学和发育生物学研究的重要问题。实现在基因组范围,精确地解析每个细胞的染色质活性高低及其随发育的动态转变是相关研究的基础,然而,实现起来却并非易事。首先,染色质活性受到多因素控制,当前的表观基因组学方法能有效测量染色质的某类生物化学或生物物理学特性(如多种组蛋白修饰、转录因子及染色质调控因子结合、染色质可及性及高级构象等),但是,基于单个或少数特性难以推定染色质活性的高低。此外,虽然多种组学方法已达到单细胞的测量精度,但在多数情况下,如何将单细胞组学数据与动态发育中的每个细胞建立一一对应关系仍存在巨大挑战。

 

  为规避现有方法的不足,本研究采用他人前期工作建立的多个线虫转基因品系,利用基因表达的染色体“位置效应”(position effect),即同一报告基因插入基因组不同区域后表达量随位置发生变化,实现测定多个基因组位点染色质活性高低。该现象最早在果蝇“花斑眼”的遗传学研究中被发现,之后被广泛应用于位点特异性及全基因组范围的染色质调控研究。为实现单细胞精度的分析,本研究利用4D活体成像、细胞谱系追踪和单细胞表达定量分析等方法,量化了整合至基因组100余个不同位置的同一报告基因在700多个身份明确胚胎细胞的表达,并基于此绘制了线虫早期胚胎细胞的染色质活性图谱。

 

  基于图谱,本研究进一步解析了染色质活性随胚胎发育的动态变化模式及意义。染色质活性在不同基因组位点和细胞呈现很强的特异性,并可有效地区分细胞调控状态。随发育,染色质活性呈现多种特征性的动态变化。随细胞谱系展开,细胞染色质活性图谱整体呈现渐变,但是在特定的谱系发育节点发生骤变,并与细胞命运的分化高度关联。在随后的组织命运决定阶段,染色质活性变化呈现组织类型依赖的“汇聚”模式,即源于不同谱系但分化成为同样组织类型的细胞的染色质发生趋同改变,提示其参与了细胞分化的趋同调控。有趣的是,虽整体趋同,但源自不同谱系的同类组织细胞间最终仍存在谱系来源依赖性的染色质活性异质性。提示细胞的发育历史通过在染色质水平留存 “印记”,促进细胞功能多样性的产生。而与此相反,呈现左-右对称型排布的同类组织细胞却不存在明显的染色质活性异质性。进一步研究发现,这些细胞的染色质活性呈现“预设型”调控模式,即在早期胚胎,染色质活性图谱在左-右对称细胞的祖细胞中即被设定为相似状态,以确保位于动物左、右两侧的对称细胞随发育保持功能上高度一致。

 

  综上,本研究提供了一种“基于结果”的染色质活性研究策略,理论上可通过选择合适的报告基因,动态追踪染色质活性在任何位点和任何细胞的动态变化。同时,本研究在单细胞精度和基因组层次揭示的染色质活性的”发散”、”汇聚”和”预设型”动态变化模式,也为从多个维度系统理解多细胞生物细胞谱系分化的染色质调控奠定基础。

 

  本研究于2021年4月26日在线发表于Molecular Systems Biology杂志(DOI:10.15252/msb.202010075)。分子发育生物学国家重点实验室博士生赵志广和樊蓉为本文并列第一作者,研究组成员徐伟娜、寇雅慧、王洋洋和马雪华参与了本论文部分工作,杜茁研究员为本文的通讯作者。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金和分子发育生物学国家重点实验室开放课题资助。

 

图:单细胞精度解析染色质活性的发育动态变化模式及潜在意义