SIRT1在小鼠卵细胞和早期胚胎中对细胞命运的调控研究

During oogenesis and early embryo development, only a subset of cells develop into later stages and finally contribute to embryonic components. Heterogeneity of gene expression plays important roles in cell fate control in oocytes and early embryos, however, key determining factors remain largely unexplored...Based on our preliminary data and related reports, we propose that SIRT1 regulates cell fate during oogenesis and early embryo development in mice, through deacetylating targeting transcription factors. To this end, we are establishing a genetic mosaic mouse model to stochastically overexpress SIRT1 within oocyte population and preimplantation embryo. Through statistically analysis of developmental distributions of cell populations with various SIRT1 levels, we will be able to elucidate how SIRT1 expression orchestrates oogenesis, ovarian aging and inner cell mass formation in blastocyst. Identification of downstream targets of SIRT1 in these developmental stages will reveal underlying mechanisms how SIRT1 is involved in cell fate control...This study will provide further insights into origin and functions of cellular heterogeneity, and is valuable for deep understanding of cell fate regulation during oogenesis and early embryo development.

从卵子发生至早期胚胎发育过程中，只有部分细胞发育至后期并最终形成胎儿的组织和器官。卵细胞和早期胚胎中基因的表达异质性参与了此过程中的细胞命运决定，但关键的调控因子目前所知甚少。..本项目前期研究结果结合其他相关报道，提示SIRT1因子通过去乙酰化转录因子，参与小鼠卵子发生和早期胚胎的命运调控。因此，本项目拟建立遗传嵌合体小鼠模型，在卵母细胞和植入前胚胎中随机过表达SIRT1蛋白。通过统计分析不同发育阶段细胞群体中SIRT1表达水平的分布，揭示SIRT1的差异表达对卵子发生、卵巢衰老和囊胚内细胞团生成的调控作用。通过检测SIRT1不同表达水平的细胞中SIRT1潜在下游底物分子的活性，进一步阐释SIRT1调控细胞命运的作用机制。..本研究结果将有助于深入理解发育过程中细胞异质性的来源和功能，也对阐明卵子发生和早期胚胎发育过程中细胞命运的调控具有重要意义。

终末分化的卵子在受精后，激活胚胎期发育程序，经历数次卵裂并伴随着合子基因组激活、染色质重塑等重要生物学事件，最终生成由内细胞团和滋养层细胞组成的囊胚。本项目中，我们利用基因编辑小鼠模型、胚胎干细胞模型、临床生殖标本等广泛研究了多种表观调控因子对早期胚胎发育程序的调控作用，发现组蛋白去乙酰化酶、组蛋白变体、组蛋白核心区修饰、转录因子等可以通过调控逆转座子或合子基因组激活相关基因等方式，对早期胚胎相关转录程序和细胞命运产生调控作用。..我们在小鼠胚胎干细胞中敲降组蛋白去乙酰化酶Sirt1，检测到调控细胞谱系的转录因子Sox21等具有显著的下调，而Sox21的下调会使得早期胚胎卵裂球更易产生滋养外胚层细胞而非内细胞团。显微注射2细胞期单卵裂球显示Sirt1表达下降的卵裂球生成内细胞团细胞的能力显著下降。我们发现，在小鼠胚胎干细胞中敲降组蛋白变体H3.3后，合子基因组在胚胎干细胞中被激活，且Dux表达在H3.3敲降后发生明显上调，而ChIPseq的结果也显示H3.3富集于Dux基因区。这些结果说明H3.3抑制了合子基因组的激活。类似地，组蛋白变体H2A.X、转录因子Otx2等也具有抑制合子基因组激活的能力。同时，显微注射产生的H3.3缺失的早期胚胎中，合子基因组激活直到8-16细胞期仍然可以被检测到。此外，我们也收取了废弃的人卵母细胞、卵裂期胚胎和囊胚，并进行H3K56/64/122乙酰化染色，发现这三种组蛋白核心区乙酰化修饰在不同发育阶段具有不同表达特征。有趣的是，H3K56乙酰化在二细胞期胚胎具有富集，与人LINE元表达模式类似，而人胚胎干细胞的H3K56乙酰化修饰谱显示H3K56乙酰化富集在相对年轻的LINE-1元件上。..本项目的研究为深入揭示早期胚胎发育程序尤其是其表观遗传变化动态和调控机制提供了重要线索，也为诊断和治疗临床生殖疾病提供了重要靶点。