在哺乳动物发育过程中，DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传修饰，在父母源基因组经历了不同模式的重编程。一些亲本间差异的表观遗传修饰能够逃脱早期胚胎发育过程的重编程，其中最典型的是印记控制区域（imprinting control regions, ICRs）。ICR在胚胎发育过程中发挥重要作用，其表观遗传修饰的异常会导致胚胎发育的异常。目前在小鼠中仅发现21个ICR，识别新的亲本表观遗传特异的功能性区域面临如下挑战：依赖于品系间单核苷酸多态性（SNP）识别亲本间表观遗传异质性的识别方法分辨率低且假阳性率高，并且难以预测特定基因组区域是否具有等位基因特异性的调控功能。

  2022年4月28日，同济大学生命科学与技术学院张勇教授与高绍荣教授课题组合作在Nature Cell Biology在线发表了题为Allele-specific H3K9me3 and DNA methylation co-marked CpG-rich regions serve as potential imprinting control regions in pre-implantation embryo的研究论文，报道了小鼠植入前胚胎发育过程中DNA甲基化的维持需要H3K9me3，并在H3K9me3和DNA甲基化共同标记的CpG富集区域鉴定出22个潜在的印记控制区域。

高绍荣/张勇近年来合作揭示了小鼠早期胚胎发育过程中H3K4me3、H3K27me3、H3K9me3及核小体定位的建立过程及规律^[1-3]。通过对已发表数据的重新分析，研究人员发现了小鼠植入前胚胎中DNA甲基化和 H3K9me3在CpG富集区域呈高度正相关，而且H3K9me3修饰有助于这些区域逃脱DNA去甲基化。研究人员开发了计算生物学工具PCAR去识别共同标记H3K9me3和DNA甲基化的CpG富集区域（CHM），并发现CHM是小鼠植入前胚胎中DNA甲基化维持的热点区域。

为了高分辨率地探究亲本间CHMs的差异，研究人员在孤雌、孤雄胚胎中产生了单亲本的H3K9me3和DNA甲基化数据，鉴定出1,279个亲本特异性CHM（asCHM），其中包括19个已知的ICR。与ICR类似，asCHM中近一半从配子中继承亲本特异的表观遗传信息；与ICR不同，大部分asCHM在胚胎植入后丢失表观遗传亲本特异性。研究人员通过共注射编码H3K9me3去甲基化酶的Kdm4b及靶向H3K9me3甲基转移酶基因Suv39h1/2和Setdb1的siRNAs敲降H3K9me3，证实了降低H3K9me3水平减弱了asCHM的亲本间DNA甲基化水平的不平衡。

进一步，研究人员建立了亲本特异性调控功能的预测体系，从asCHM中鉴定出22个与类似ICR的区域（ICRLR）。研究人员选择了5个长度较短的ICRLR进行功能验证，发现这些ICRLR的敲除造成了囊胚发育迟缓，同时它们潜在靶基因的亲本特异性表达丢失，其中mCHM_177敲除后的表型尤其明显。研究人员发现父源特异性mCHM_177的敲除严重影响胚胎发育，而母源特异性敲除几乎没有影响。mCHM_177的潜在靶基因Brd2的亲本特异性敲除也产生类似的表型，表明mCHM_177的作用机制与已知的母源特异性ICR类似，可以通过控制周围基因的亲本特异性表达影响胚胎发育（图1）。该研究揭示了在植入前胚胎发育过程中存在的亲本特异性CHM具有重要生物学功能，并且拓展了哺乳动物早期胚胎发育过程中亲本特异性调控的范围。

图1 ICRLR功能验证

张勇教授实验室的博士生杨绘、高绍荣教授实验室的博士生柏丹丹、李延鹤博士及张勇教授实验室的博士生余招伟为本文的共同第一作者。张勇教授、高绍荣教授及刘文强研究员为本文的共同通讯作者。

参考文献

1. Liu et al. Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3 chromatin domains in pre-implantation embryos. Nature (2016) 537:558-562.

2. Wang et al. Reprogramming of H3K9me3-dependent heterochromatin during mammalian embryo development. Nat Cell Biol (2018) 20:620-631.

3. Wang et al. Dynamic nucleosome organization after fertilization reveals regulatory factors for mouse zygotic genome activation. Cell Res (advanced online).