科研强院 | 解锁生命密码！省二医携手港大深圳医院，取得早期胚胎发育研究新进展

7月30日，广东省第二人民医院（以下简称“省二医”）生殖医学中心团队于国际期刊Nature Communications（《自然通讯》杂志）在线发表了题为P300 regulates histone crotonylation and preimplantation embryo development的研究论文，首次系统性揭示了P300作为组蛋白巴豆酰基转移酶在早期胚胎发育期间发挥重要作用，并发现H3K18cr修饰能够作为一种与转录调控正相关的表观遗传标志，为进一步解析早期发育调节机制提供了新思路。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50731-0

广东省第二人民医院首席科学家、研究员孙青原教授、生殖医学中心主任欧湘红教授、副研究员苏瑞宝为论文共同通讯作者。香港大学深圳医院博士后高迪、广东省第二人民医院博士后李超、硕士研究生刘邵源以及中山大学的博士后许腾腾为论文共同第一作者。同时，该项研究工作得到了香港大学深圳医院生殖医学中心杨树标教授、刘奎教授，中科院深圳先进技术研究院张键研究员等大力支持。本研究受到国家重点研发计划项目（2021YFA1100300）和深圳市孔雀计划项目（KQTD20190929172749226）的资助。

孙青原教授介绍，着床前胚胎发育阻滞是造成不孕不育的重要原因，但多数情况下原因不明，辅助生殖临床中很难进行有效干预。胚胎发育阻滞的原因复杂，包括ART处理和操作、遗传因素和表观遗传因素等。多个与胚胎基因组激活、有丝分裂、皮质下母源复合体、母源mRNA清除、DNA损伤修复、转录和翻译调控相关的基因突变已被证实与胚胎发育阻滞相关。除了遗传因素以外，哺乳动物早期胚胎发育表观遗传重编程对于早期胚胎发育期间的基因表达和第一次细胞命运决定等方面起着至关重要的作用。组蛋白乙酰化和甲基化是目前研究最为广泛的组蛋白修饰方式，在调控早期胚胎发育的基因转录中发挥重要作用。近年来，随着超高分辨率液相色谱-质谱技术的发展，多种新型的组蛋白酰化修饰逐渐被发现。其中，组蛋白巴豆酰化作为一种新发现的修饰方式广泛参与了精子发生、小鼠及人类胚胎干细胞胚层的分化。然而，在早期胚胎中巴豆酰化修饰是否存在以及如何参与调控早期胚胎的发育进程目前还不清楚。

研究团队首先通过小鼠各时期胚胎的单细胞RNA-seq数据，分析了具有HCT（histone crotonyltransferase）和HAT（histone acetyltransferase）功能的酶，发现P300在胚胎发育过程中的变化趋势最为剧烈，暗示其可能在胚胎发育过程中发挥重要作用。接着，研究团队发现在受精卵中敲低P300会导致大部分胚胎阻滞在8-cell 阶段。同时，RNA-seq数据也显示8-cell晚期胚胎中基因整体转录水平发生明显的失调。通过对RNA-seq和RNA-Pol II CUT&Tag数据的联合分析，研究团队发现，这些失调的基因和P300敲低后RNA-Pol II信号的整体变化呈正相关，说明P300在早期胚胎发育期间参与调控了基因的转录（图1）。

△ 图 1. 敲低 P300 对 8-cell 晚期胚胎 Pol II 在基因组上信号的变化分析

进一步，研究团队发现，敲低P300能有效降低8-cell晚期胚胎中整体的巴豆酰化水平。补充仅有巴豆酰化活性的突变体和巴豆酸钠后能部分恢复胚胎中的巴豆酰化水平及胚胎的发育率，证明巴豆酰化修饰确实参与了早期胚胎的发育调节。值得注意的是，在敲低P300后，组蛋白H3第18位赖氨酸巴豆酰化（H3K18cr）修饰水平降低的程度最为明显。更重要的是，研究团队通过对构建的低起始量H3K18cr的CUT&Tag文库分析发现，H3K18cr修饰主要富集在基因组的转录起始位点区域（TSS，transcription start site），并且敲低P300后TSS区域中H3K18cr的信号发生明显的下调。通过RNA-seq和H3K18cr CUT&Tag数据联合分析发现，H3K18cr 修饰标记的基因相较于非标记的基因累计曲线发生了明显的左移，说明在早期胚胎发育过程中H3K18cr修饰参与调控了基因的转录（图2）。此外，通过对RNA-Pol II、H3K18cr和H3K4me3 CUT&Tag数据多组学分析，结果进一步证明了H3K18cr修饰在早期胚胎发育过程中对基因转录起到正调控的作用。

△ 图 2. H3K18cr 与变化转录本间的相关性分析

综上所述，本研究主要深入探讨了组蛋白巴豆酰化作为调控基因表达和着床前胚胎发育命运的关键调控机制。正常情况下，转录共激活因子P300介导组蛋白的巴豆酰化，从而调控基因的正常转录，确保胚胎从8-cell时期顺利过渡到桑椹胚阶段，最终发育为囊胚（图3）。

△ 图3. P300介导的组蛋白巴豆酰化调节着床前胚胎发育模式图