细胞周期中全基因组DNA甲基化遗传的时序分析

DNA methylation is essential for normal function of cells. In a cell cycle, genetic information of parental DNA is inherited by semi-conservative replication; meanwhile, parental DNA methylome must be transmitted to newly-synthesized DNA strands correctly. However, it is still uncertain when methylation modification is added to daughter DNA strand after replication. Thus, this project will directly study the start and end time points of DNA methylation inheritance during cell cycles in detail. By means of single cell DNA methylation sequencing, we will establish DNA methylome maps of cells in different cell cycles stages. Through analyzing the dynamics of whole genome single base methylation state during cell cycles, we will uncover the start and end time points in DNA methylation inheritance, deepening our understanding of DNA methylation inheritance.

DNA甲基化是细胞正常功能所必需的。在细胞周期中，亲代DNA的遗传信息以半保留复制的方式遗传给下一代，与此同时，亲本的DNA甲基化信息也必须正确的遗传给新合成的子代DNA。然而关于DNA甲基化在DNA复制之后何时被加到DNA序列上，仍没有定论。因此本课题将直接、详尽地研究细胞周期中DNA甲基化遗传起始和完成的时间点。采用单细胞DNA甲基化测序技术建立细胞周期中各个不同阶段的细胞DNA甲基化图谱，分析全基因组水平各位点DNA甲基化状态在细胞周期中的动态变化，揭示细胞周期中DNA甲基化遗传起始和终止的时间点，加深对细胞周期中DNA甲基化遗传的理解。

染色质上的易接近区域一般是一些顺式调控元件，比如启动子和增强子等。这些区域往往会被特异的转录因子结合并激活附近基因的表达。由于染色质易接近区域容易被DNase I切割，所以它们也被称为DNase I超敏感位点（DNase I hypersensitive site, DHS）。目前，人类早期胚胎的染色质的调控元件图谱的动态变化规律及功能尚不清楚。因此我们利用DNase-seq的方法绘制了人类早期胚胎从2-细胞阶段到囊胚阶段的染色质易接近性图谱。我们的数据揭示染色质易接近性图谱在人类早期胚胎发育过程中逐渐建立。启动子具有DHS的基因处于表达或者预备表达的状态。OCT4结合基序在人类合子基因组激活（Zygotic genome activation, ZGA）时期的DHS里富集，而非小鼠ZGA时期的DHS里富集，提示OCT4在人类而非小鼠ZGA里发挥重要作用。后续的基因敲低实验的结果也证实了OCT4对于人类而非小鼠ZGA是必需的。我们进一步发现具有低CpG密度的启动子往往在胚胎发育的后期建立DHSs。同时，在进化上相对年轻的基因趋向于在胚胎发育后期建立启动子DHSs并表达；而进化上古老的基因则趋向于在胚胎发育的早期建立启动子DHSs并表达。并且我们也发现人类特异活跃的转座子元件SVA 和HERV-K等在早期胚胎里呈开放和高表达状态，而在成熟组织里很少开放和表达。综上，我们的工作为研究人类早期胚胎发育过程中基因表达调控网络提供了宝贵的资源，并从进化发育的视角阐述了早期胚胎里基因和转座子的表达调控机制。