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朱冰（中科院生物物理所）
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基因印记是双亲来源的染色体中单等位基因表达的现象，在调控发育、行为等多种生物学过程中发挥着重要作用。目前，鉴定人类等远交系动物(outbredanimals)的印记区域需要使用基于单核苷酸多态性(Singlenucleotidepolymorphisms,SNP)的分析方法并整合数百个不同个体的DNA甲基化组数据，或者使用单亲本二倍体(uniparentaldisomy)等特殊材料作为样本。这些方法成本高昂且材料不易获得，成为了在远交系动物中研究基因印记的一大障碍。
年10月6日，昆明理工大学牛昱宇、季维智课题组与哈佛医学院张毅课题组在DevelopmentalCell杂志上合作发表了题为AnalysisofdevelopmentalimprintingdynamicsinprimatesusingSNP-freemethodstoidentifyimprintingdefectsinclonedplacenta的研究工作。在这项工作中，作者通过对孤雄、孤雌胚胎的转录组和表观组的研究，揭示了食蟹猴早期胚胎中调控印记基因的主要机制。作者通过开发不依赖于SNP，且高效精准的亲源印记调控区域的鉴定方法—TARSII和CARSII，揭示了灵长类早期胚胎与成体细胞，以及成体细胞与胎盘组织间基因印记的差异，并由此发现了克隆猴胎盘中的基因印记存在严重缺失。此外，该研究的一大亮点是开发了一种不依赖于SNP的生物信息方法来寻找印迹基因，突破以往常规方法需要近交系的存在（灵长类动物难以获得近交系）。
为了了解灵长类动物的基因印记调控机制，作者首先对食蟹猴16细胞时期的孤雄与孤雌胚胎做了转录组测序并鉴定出个父源高表达基因(paternal-biasedexpressedgenes,PEGs)。通过进一步对DNA甲基化组和H3K27me3修饰的测序和分析发现上述个PEG中大部分与母源高甲基化区域（early-embryonicmaternal-allele-methylateddifferentiallymethylatedregions,emDMRs）相关，而仅有极少数与母源高H3K27me3区域相关，表明灵长类早期胚胎中PEGs的表达主要受到DNA甲基化而非H3K27me3的调控。为确定早期胚胎中与PEGs相关的emDMRs是否会被保留至成体组织中，作者开发了不依赖SNP鉴定印记区域的方法—TARSII（Tissue-associated,reads-based,SNP-freemethodforidentifyingimprint-DMRs）（图1）。通过整合食蟹猴6种不同组织、孤雌以及孤雄胚胎的DNA甲基化组数据，作者最终鉴定出了39个母源印记区域(maternalgermlinedifferentiallymethylatedregions,mgDMRs)，然而其中只有4个与emDMR相同，这表明灵长类早期胚胎中绝大部分与PEG相关的emDMRs并不会保留到成体组织中。
图1.TARSII分析流程示意图
进一步地，作者开发了用于预测单个组织中印记区域的方法—CARSII（CpG-island-associated,reads-based,SNP-freemethodforidentifyingimprint-DMRs），比较了灵长类不同组织之间，尤其是胎盘与体细胞的印记差异。结果显示，人、食蟹猴与猕猴的母源印记区域在胎盘中的数量均远多于其在成体组织中的数量（约为3倍），而这种现象在小鼠组织中没有被观察到，表明这是一种灵长类特有的胎盘印记模式。作者进一步发现并证明了体细胞核移植胎盘组织丢失了大量胎盘特异性的母源印记区域（图2），进而影响了相关印记基因的表达。这些基因，例如DNMT1和HAND2等，对于胎盘和胚胎发育具有十分重要的作用。
图2.野生型、核移植胎盘和成体组织中胎盘特异母源印记DMRsDNA甲基化修饰水平（左）及对应基因的表达情况（右）
综上所述，本项研究开发了不依赖于SNP鉴定印记区域的方法，研究了灵长类早期胚胎到成体组织细胞中基因印记的动态变化，并揭示了相对于早期胚胎和胎盘，成体组织细胞保留了更少的母源印记。体细胞中这些被抹去的母源印记不能通过重编程（如核移植技术）重新在胎盘组织中被建立，最终导致了灵长类核移植胎盘中出现严重基因印记缺陷。这为灵长类动物核移植研究提供了重要的线索，也为提高灵长类动物的克隆效率带来了新的思路。
据悉，本项工作由昆明理医院和哈佛医学院共同合作完成。昆明理工大学博士研究生褚楚和哈佛医学院博士后研究员张文昊为本文的共同第一作者。昆明理工大学牛昱宇教授、季维智教授和哈佛医学院张毅教授、张文昊博士为该文的共同通讯作者。
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