Cell子刊：中國科學家揭示染色體3D結構重編程規(guī)律

我國科學家近日在染色體3D結構以及在早期胚胎發(fā)育過程中染色體結構的重編程變化方面取得重大科學突破，相關成果于2017年7月13日發(fā)表在國際著名期刊《CELL》上。
人類DNA如果拉成一條直線，長度大約是2米，但一般的細胞核的直徑卻僅有5～10微米左右。因此基因組DNA如何合理的折疊存放到細胞核里，是一個非常重要的科學問題。同時，現(xiàn)有研究表明，基因組DNA的三維空間折疊對細胞核如何指揮細胞功能的發(fā)揮起著非常重要的作用。
對于大多數(shù)動物包括我們人類來講，生命起始于精子和卵子的結合。然而，精子的細胞核、卵子的細胞核結構卻和我們身體中其它的體細胞存在非常大的差別。精子細胞核非常小、只有普通細胞核的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)細胞仍然具有非常大的差別。因此精子和卵子受精后，細胞核中的染色體如何變化，如何變成正常的細胞染色體，是個一直未被了解的科學問題。同時，了解哺乳動物發(fā)育過程中染色體結構的變化，有利于我們理解人是如何從受精卵發(fā)育成個體。
基于這樣的研究背景，中國科學院北京基因組研究所劉江研究組和上?？萍即髮W黃行許研究組合作，對上述問題進行研究。由于哺乳動物配子和早期胚胎的數(shù)量非常有限，研究團隊解決了使用少量細胞建立3D染色體結構圖譜的難題，從而獲得小鼠精子、卵子和早期胚胎的高分辨率染色體結構圖譜。
研究結果顯示，成熟的卵子沒有拓撲結構域（TADs），而在精子中普遍存在超遠程染色體的相互作用。同時研究發(fā)現(xiàn)，受精卵和2細胞時期胚胎中染色體結構幾乎不存在，隨著發(fā)育的進行，染色體結構逐漸的建立起來。同時，染色體結構的建立不依賴于受精卵基因組轉錄的激活、而是依賴于基因組的復制。除此之外，本研究發(fā)現(xiàn)染色體的結構與DNA甲基化的關聯(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構相關。
此次研究成果為深入了解哺乳動物如何從受精卵發(fā)育成一個多功能的個體打下了重要的基礎，為研究者認識早期胚胎中真實的3D基因組結構做了良好的鋪墊，哺乳細胞早期胚胎發(fā)育高分辨率染色體結構圖譜數(shù)據(jù)將為表觀遺傳、生物信息研究領域提供寶貴的資源，幫助揭示胚胎發(fā)育的奧秘。
研究獲中科院先導專項、自然科學基金委和科技部國家重點研發(fā)項目支持。