WGBS揭示母源蛋白調(diào)控早期胚胎發(fā)育的DNA甲基化重編機(jī)制

哺乳動(dòng)物的早期胚胎發(fā)育會(huì)經(jīng)歷重要的表觀遺傳重編程過(guò)程，這一過(guò)程需要重置從親本基因組繼承的表觀遺傳信息，以啟動(dòng)胚胎基因表達(dá)程序，而全基因組去甲基化對(duì)表觀遺傳重編程至關(guān)重要。哺乳動(dòng)物基因組在CpG位點(diǎn)上有較高水平的甲基化，主要以5-甲基胞嘧啶（5mC）的形式存在。早期胚胎發(fā)育的一個(gè)特征是DNA甲基化廣泛丟失，尤其在第一次細(xì)胞分裂期間。這一過(guò)程在哺乳動(dòng)物中保守，但在去甲基化動(dòng)態(tài)和程度上存在差異。全基因組去甲基化過(guò)程對(duì)早期胚胎的發(fā)育能力至關(guān)重要，具有高甲基化基因組的小鼠胚胎表現(xiàn)出異常。哺乳動(dòng)物中，與全基因組DNA甲基化減少相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程相對(duì)異常。因此早期胚胎具有特異性調(diào)控機(jī)制，但這些機(jī)制目前尚部分未知。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNMT1）在這個(gè)階段主要被排除在細(xì)胞核外，但其核內(nèi)活性是否受其他機(jī)制調(diào)節(jié)尚不明確。

近日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所朱冰和張珠強(qiáng)團(tuán)隊(duì)共同研究發(fā)現(xiàn)，母源蛋白Pramel15通過(guò)泛素-蛋白酶體通路系統(tǒng)靶向DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNMT1）進(jìn)行降解，調(diào)節(jié)其在早期胚胎細(xì)胞核中的DNA甲基化水平，影響DNA去甲基化過(guò)程。這一發(fā)現(xiàn)揭示早期胚胎細(xì)胞核中存在著依賴(lài)于蛋白酶體的DNMT1調(diào)控機(jī)制，幫助受精卵（合子）DNA去甲基化。

技術(shù)平臺(tái)：?jiǎn)渭?xì)胞/微量WGBS、RNA-seq等 本研究首先假設(shè)早期胚胎中存在調(diào)控整體 DNA 去甲基化過(guò)程的未知調(diào)節(jié)機(jī)制，并通過(guò)尋找 DNA 甲基化的新調(diào)節(jié)因子來(lái)研究這一假設(shè)，其表達(dá)對(duì)早期胚胎具有特異性。為此，研究首先鑒定出一個(gè)母源蛋白 Pramel15，Pramel15通過(guò)Cullin-RING E3連接酶靶向DNMT1進(jìn)行降解，可調(diào)節(jié)胚胎核內(nèi) DNMT1 的蛋白水平。而Pramel15 缺失會(huì)提高合子原核中的DNMT1水平，損害合子DNA去甲基化，并導(dǎo)致小鼠早期胚胎在全基因組中表現(xiàn)出 DNA 甲基化水平的隨機(jī)增加。

本研究揭示Pramel15可以在受精卵DNA復(fù)制過(guò)程中調(diào)控細(xì)胞核中的DNMT1水平，從而確保早期胚胎中有效的DNA甲基化重編程。這些發(fā)現(xiàn)將有助于進(jìn)一步理解調(diào)控哺乳動(dòng)物 DNA 甲基化重編程的復(fù)雜機(jī)制。

研究方法 基因表達(dá)分析：通過(guò)轉(zhuǎn)錄組和翻譯組分析，研究Pramel15在早期胚胎發(fā)育中的表達(dá)模式。 蛋白互作分析：利用免疫共沉淀（Co-IP）和質(zhì)譜分析，確定Pramel15與DNMT1互作。 細(xì)胞和分子生物學(xué)技術(shù)：包括CRISPR/Cas9基因編輯、免疫熒光、西方印跡（Western blot）等，用于研究Pramel15和DNMT1的功能。

表觀遺傳學(xué)分析：利用單細(xì)胞全基因組亞硫酸鹽測(cè)序（scWGBS）技術(shù)分析DNA甲基化水平。

遺傳學(xué)模型：生成Pramel15基因敲除小鼠模型，研究其在胚胎發(fā)育中的作用。

易小結(jié)

本研究首先揭示了Pramel15通過(guò)Cullin-RING E3泛素連接酶復(fù)合體促進(jìn)DNMT1降解。同時(shí)Pramel1的缺失導(dǎo)致受精卵細(xì)胞核中DNMT1水平升高，影響受精卵DNA去甲基化，并在早期胚胎中引起DNA甲基化水平的隨機(jī)增加。此外，Pramel15基因敲除小鼠表現(xiàn)的DNA甲基化增加，但并未觀察到明顯的發(fā)育或生育缺陷。

研究結(jié)果表明Pramel15通過(guò)調(diào)節(jié)DNMT1在核內(nèi)的豐度，精細(xì)調(diào)控整體去甲基化過(guò)程，這對(duì)于早期胚胎的表觀遺傳重編程至關(guān)重要。

研究亮點(diǎn)

• 新的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制：揭示了Pramel15在DNA去甲基化中的新作用，為理解哺乳動(dòng)物DNA甲基化重編程提供了新的視角。

• 泛素-蛋白酶體系統(tǒng)新功能：發(fā)現(xiàn)Pramel15通過(guò)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)調(diào)節(jié)DNMT1的穩(wěn)定性，為DNA甲基化調(diào)控提示新機(jī)制。

• 胚胎發(fā)育新認(rèn)識(shí)：研究結(jié)果為理解早期胚胎發(fā)育中的DNA甲基化動(dòng)態(tài)變化提供了重要信息，可能對(duì)生殖生物學(xué)和再生醫(yī)學(xué)有重要意義

為保護(hù)受精卵中DNA甲基化重編程，DNMT1和UHRF1受多層調(diào)控。NLRP14被鑒定為調(diào)控UHRF1細(xì)胞質(zhì)滯留因子，而DNMT1通過(guò)PADI6在細(xì)胞質(zhì)中受限。同時(shí)，DNMT1從細(xì)胞核中積極出核。但涉及DNMT1細(xì)胞核出核和細(xì)胞質(zhì)滯留因子仍然未知。在細(xì)胞核內(nèi)，TET3通過(guò)主動(dòng)去甲基化某些區(qū)域參與DNA重編程。另一方面，在重編程過(guò)程中，某些區(qū)域的DNA甲基化得以保留，例如印記區(qū)域，這依賴(lài)于細(xì)胞核中的DNMT1/UHRF1。為了防止過(guò)量的DNMT1損害DNA去甲基化，Pramel15通過(guò)招募Cullin-RING E3泛素連接酶，靶向DNMT1通過(guò)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）進(jìn)行降解。