基于单细胞组学数据研究早期胚胎发育中表观遗传模式的建立

During the early embryogenesis, epigenetic statuses change dramatically and are asymmetry between cells. Therefore, to analyze the epigenetic pattern at single cell level is of vital importance to understand the mechanisms of embryogenesis. Recently, significant progresses in single-cell epigenomics techonology have been achieved, but there are still problems such as low coverage and high error rates, which proposed urgent needs for developing specificanalysis algorithms. In recent years, we have developed a series of epigenomics analysis algorithms, and revealed the nucleosome positioning pattern in zebrafish embryo. On this basis, we focus on two important epigenetic types, DNA methylation and nucleosome positioning, and propose to develop efficient algorithms specifically designed for single-cell epigenomics data, then applies these algorithms on single-cell epigenomics data generated in mouse embryos before and after zygotic genome activation, and finally investigate the establishment of epigenetic pattern during early embryogenesis. Our research will contribute to the study of epigenetic regulation in important biological processes at single-cell level.

在早期胚胎发育过程中，表观遗传状态发生了细胞间非对称性的剧烈变化，因此在单细胞层面解析表观遗传模式的建立过程是理解早期胚胎发育机制的重要环节。近期，单细胞表观遗传组学技术得到了长足发展，但是其数据存在覆盖度低、错误率高等特点，这对发展有针对性的分析算法提出了迫切的需求。近几年，申请人发展了一系列表观遗传组学数据分析算法，并揭示了斑马鱼早期胚胎发育的核小体定位模式。在此基础上，本项目针对DNA甲基化和核小体定位这两种重要的表观遗传信息，拟开发有针对性的单细胞组学数据分析算法，并将这些算法应用于小鼠早期胚胎在合子型基因组激活前后的表观遗传组学数据，预期解析早期胚胎发育中表观遗传模式的建立过程。本项目的研究将有助于从单细胞水平深入研究重要生物学过程中的表观遗传调控机制。

在早期胚胎发育过程中，表观遗传状态发生了细胞间非对称性的剧烈变化，因此在单细胞层面解析表观遗传模式的建立过程是理解早期胚胎发育机制的重要环节。本项目的整体研究目标是针对DNA甲基化和核小体定位这两种表观遗传信息，开发有针对性的单细胞组学数据分析算法，并基于单细胞组学数据解析小鼠合子型基因组激活过程中表观遗传模式的建立。本项目主要的研究成果包括两个方面：一方面，分别开发了针对Drop-seq数据设计和多种并行单细胞转录组学数据以及表观遗传组学数据的质量控制和分析工具Dr.seq和Dr.seq2，以及针对核小体定位数据的标准化数据质量控制和分析流程CAM，利用单细胞组学数据建立了描述细胞有丝分裂时DNA甲基化状态转换的概率模型。另一方面，在全基因组尺度上揭示了在脊椎动物合子基因组激活过程中，继承的表观遗传信息预编程合子基因组转录调控的机制，并揭示了哺乳动物在胚胎早期发育过程中组蛋白修饰模式的建立规律。本项目共在Nature、 Nature Cell Biology、Nucleic Acids Research、Genome Research、Cell Research、Bioinformatics等重要学术期刊发表论文10篇，项目负责人均为通讯作者或共同通讯作者。本项目的研究成果有助于从单细胞水平深入研究重要生物学过程中的表观遗传调控机制。