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伊成器、汤富酬合作发布小鼠早期胚胎中5fC精细图谱

2017/03/24 来源:BioArt
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导读
3月23日,Cell Stem Cell杂志在线发表了来自北京大学伊成器课题组和汤富酬课题组合作完成的学术文章,该工作首次在单细胞水平上绘制了哺乳动物早期胚胎和干细胞中单碱基分辨率下的5-醛基胞嘧啶分布图谱,更深入的展示了哺乳动物早期胚胎发育中DNA主动去甲基化的动态变化,为后续研究单细胞水平的表观遗传重编程过程奠定了很好的基础。


3月23日,Cell Stem Cell杂志在线发表了来自北京大学伊成器课题组和汤富酬课题组合作完成的题为“Single-Cell 5-Formylcytosine Landscapes of Mammalian Early Embryos and ESCs at Single-Base Resolution”的研究论文,该工作首次在单细胞水平上绘制了哺乳动物早期胚胎和干细胞中单碱基分辨率下的5-醛基胞嘧啶分布图谱,更深入的展示了哺乳动物早期胚胎发育中DNA主动去甲基化的动态变化,为后续研究单细胞水平的表观遗传重编程过程奠定了很好的基础。

论文简介:

自2009年TET(Ten-Eleven Translocation)蛋白被发现以来,哺乳动物中有关TET介导DNA去甲基化的过程目前研究的已经比较清楚了(下图)。


TET介导的DNA去甲基化过程示意图。图片引自:Shen, L., Song, C. X., He, C., & Zhang, Y. (2014). Mechanism and function of oxidative reversal of DNA and RNA methylation. Annual review of biochemistry, 83, 585-614.(沈立、宋春晓、何川、张毅)

哺乳动物TET家族蛋白共有TET1/2/3三个成员,属于Fe(II)和α-酮戊二酸(α-ketoglutarate, α-KG)依赖的双加氧酶,能够将5-甲基胞嘧啶(5mC)氧化成5-羟基胞嘧啶(5hmC),5hmC还可以被TET进一步氧化成5-醛基胞嘧啶(5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC)(下图)。


2014年5月,中科院基因组所刘江课题组与南京大学黄行许课题组合作在Cell杂志上发布了小鼠胚胎2细胞期单碱基分辨率水平的5hmC和5fC分布图谱,揭示了哺乳动物中子代如何继承亲代DNA甲基化图谱的规律,更新了关于受精之后DNA甲基化图谱重新编程的传统认识;2014年10月,哈佛大学张毅课题组与北大汤富酬、中科院徐国良和李劲松合作团队“背靠背”在Cell Stem Cell上发布了有关TET3介导小鼠受精卵中的母源和父源基因组范围的DNA去甲基化的研究工作。

近几年来,有关单细胞水平表观基因组测序的研究取得了许多突破,具体到对于5fC单碱基水平的测序方面也有许多报道(下图是两篇代性的研究),但是此前一般都是使用的混合样品,但是对于在单细胞水平测定细胞中5fC的精细图谱来说还具有一定的挑战性,因为5fC后可以被TDG糖基化酶所识别并切除致使细胞中5fC的丰度极低。


基于此,伊成器课题组和汤富酬课题组合作开发了一种全新的命名为‘‘CLEVER-seq’’ (chemical-labeling-enabled C-to-T conversion sequencing)的新技术,测定了小鼠早期胚胎和多能干细胞中在单细胞、单碱基分辨率水平上5fC在基因组的分布图谱。


测序流程图

尽管2015年伊成器研究组在Nature Methods上发表论文报道5-醛基胞嘧啶测序新技术——fC-CET (Cyclization-Enabled C-to-T Transition of 5fC)(下图)。


但是这个技术中由于标记5fC特异性的小分子化合物的水溶性不好难以用于极小量样品的测序中,因而在这篇Cell Stem Cell文章中使用了一种新的标记5fC的技术,这项技术的核心在于用丙二腈(malononitrile)标记5fC转换成5fC-M(下图),而丙二腈具有较好的水溶性。


当然,测序技术准备好了,那么接下来自然就是顺理成章的对全基因组5fC进行分析了,这些分析与此前非单细胞状态下测序获得结果后进行的分析项目并无太多区别,主要包括5fC的变化与DNA去甲基化的相关性、精卵结合后基因组母源和父源5fC产生的变化、5fC的变化与基因表达的相关性分析等。


小鼠在胚胎发育的不同个阶段5fC的总体变化趋势图


总的来说,该研究在前人研究的基础上更进一步绘制了更精细的小鼠早期胚胎发育过程中5fC的动态变化图谱,更好的展示哺乳动物早期胚胎发育中DNA主动去甲基化的动态变化,为后续研究单细胞水平的表观遗传重编程过程奠定了很好的基础。


小鼠早期胚胎发育过程中父源和母源5mC与5fC的动态变化示意图

评:这样的工作往往是交叉学科的胜利,需要化学生物学家和单细胞测序专家精诚合作才能把这个工作做到极致,同时也表明了新兴学科里合作的重要性。


伊成器研究员(图片来自网络)


汤富酬研究员(图片来自网络)

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