人原始生殖细胞中的关键组蛋白修饰动态调控机制研究

The germ cells provide an enduring link between all generations of a species. They are unique not only in the ability to give rise to a new organism, but also in transmitting the genetic and epigenetic information from one generation to the next. In mammals, primordial germ cells (PGCs), the founder cells of the germ line, are specified during early embryonic development and undergo extensive and thorough epigenetic reprogramming. Our preliminary data has shown that H3K4me3 and H3K27me3 coordinate to regulate the transcription of hPGCs. However, the detailed dynamic changes and interactions of these key histone modifications in the development process remain unclear. In the present study, we will make full use of our small-scale ChIP–seq technology and advanced bioinformatic method to deeply investigate the genome-wide profiles as well as the interactions of three histone modifications – H3K4me3, H3K27me3 and H3K9me3 during human PGC specification. In addition, by applying the hPGCLC in vitro induction system, we will further discuss the interactome of these histone modifications and DNA methylation in regulating hPGC development.

生殖细胞为同一物种内所有世代之间提供了联系的纽带，它不仅具备产生新的生物个体的能力，还通过其独特的方式将遗传信息从一代传递至下一代。在哺乳动物中，作为生殖细胞的来源，原始生殖细胞在胚胎发育的早期就已形成，并经历了广泛和彻底的表观遗传重编程。我们前期的研究已初步发现H3K4me3和H3K27me3修饰对人原始生殖细胞转录的协同调控，但是这些关键组蛋白修饰的具体变化模式和相互关联仍有待进一步被阐述。本研究将充分利用课题组已建立的微量组学技术及相关分析方法，以人胚胎发育中的原始生殖细胞为研究对象，结合hPGCLC体外分化系统，系统揭示人PGC发育中关键组蛋白修饰（H3K4me3、H3K27me3和H3K9me3）的建立和动态变化模式、相互关联及其与DNA甲基化协同调控PGC命运的机制。

生殖细胞为同一物种内所有世代之间提供了联系的纽带，它不仅具备产生新的生物个体的能力，还通过其独特的方式将遗传信息从一代传递至下一代。在哺乳动物中，作为生殖细胞的来源，原始生殖细胞在胚胎发育的早期就已形成，并经历了广泛和彻底的表观遗传重编程，从而为后续配子的正常发育与细胞全能性的建立做好了准备。然而，受限于细胞数量和分子生物学技术方法，长久以来我们对原始生殖细胞发育中的组蛋白修饰动态变化和染色质开放状态规律知之甚少。在本研究中，我们主要以人和小鼠胚胎发育中的原始生殖细胞为研究对象，取得了三方面的研究成果：1）利用微量细胞ULI-NChIP-seq技术，首次绘制了妊娠 7周至 23 周发育期间内男性和女性人类原始生殖细胞中三个关键组蛋白修饰（H3K4me3、H3K27me3和H3K9me3）的高分辨率全基因组动态图谱，进一步解析其相互关联及调控基因表达、X染色体再激活、逆转座子和去甲基化逃逸区域等重要发育事件的表观遗传机制；2）利用少量细胞DNase I测序技术，揭示了人和小鼠原始生殖细胞发育过程中染色质开放状态规律；3）解析了多个重要蛋白调控细胞全能性建立或多能性维持的分子机制。上述研究成果为理解表观遗传调控原始生殖细胞发育和细胞全能性建立的分子机制提供了重要的数据支撑和理论依据。本项目相关研究成果最终发表于Nature、Cell Stem Cell、Cell Research和Cell Discovery等国际学术期刊；项目负责人在项目执行期间晋升为教授并获国家级人才项目资助；项目负责人作为主要完成人获2020国家自然科学奖二等奖和2019教育部自然科学奖一等奖。