表觀遺傳調控對人早期胚胎發育至關重要，但該過程中表觀基因組動態及其作用機理仍有待深入研究¹。DNA甲基化(5mC)是哺乳動物中重要的表觀遺傳修飾，在體細胞有絲分裂過程中可以被精確地傳遞至子細胞，並作為染色質結合蛋白和相關修飾因子的重要調控標記，影響組蛋白修飾、基因表達和染色質結構²。這種相對穩定的5mC基因組分布在局部區域受到TET雙加氧酶的調控，使得5mC被TET家族蛋白(TET1/2/3)連續氧化，產生5-羥甲基胞嘧啶(5hmC)，5-甲酰基胞嘧啶(5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC)^3-5。後兩者會被胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)通過堿基切除修複(BER)途徑識別和切除，從而誘導胚胎幹細胞(ESCs)和體細胞中的DNA去甲基化³。雖然5hmC隻占所有5mC的一小部分，但體細胞中5hmC的含量仍然比5fC和5caC豐富得多^4,6，這表明除了作為DNA去甲基化的中間物之外，5hmC可能還有其它未知的生物學功能。與體細胞不同的是，哺乳動物在受精後會經曆基因組範圍內的DNA甲基化重編程，這一過程在小鼠和人早期胚胎中十分保守。2023年郭帆研究組係統性地揭示了小鼠早期胚胎發育全時程的5hmC動態與分子調控，定量解析了Tet3和DNA複製在5hmC產生中的作用，結合小鼠遺傳模型發現DNA複製和被動去甲基化途徑對於5hmC的產生和基因組分布有著顯著影響。除了參與DNA甲基化重編程，5hmC在小鼠早期胚胎中偏好性的富集於基因的增強子上，與基因轉錄調控聯係緊密⁷。然而，5hmC在人早期胚胎中的動態與功能還未有研究報道，這一修飾在人-鼠間的保守性以及調控機製的異同仍不清楚，限製了我們對人胚胎發育起始階段表觀遺傳機理的認識。

2024年7月30日，必威精装版app西汉姆联 郭帆團隊、安徽醫科大學第一附屬醫院曹雲霞/梁丹團隊和上海交通大學醫學院附屬第一人民醫院賀小進合作（安徽醫科大學第一附屬醫院教授梁丹、副教授紀冬梅，必威精装版app西汉姆联 博士生燕蕊、博士後龍鑫為本文共同第一作者），在Nature Cell Biology發表了題為Distinct dynamics of parental 5-hydroxymethylcytosine during human preimplantation development regulate early lineage gene expression的研究論文。研究者利用微量細胞5hmC全基因組解析方法結合胚胎成像、染色質免疫沉澱和相關功能實驗，對人早期胚胎中5hmC的動態與功能作用進行了係統解析。研究者發現人卵細胞在生長過程中經曆了從頭DNA羥甲基化從而累積了顯著水平的5hmC；受精後，母本基因組會繼承卵細胞中的5hmC，而父本基因組中的5hmC則會部分“參照”母本基因組產生，這一模式區別於小鼠早期胚胎中5hmC的不對稱性分布。人早期胚胎中的5hmC除了參與DNA甲基化擦除事件外，還與維持性DNA甲基化區域關聯；以上結果說明人與小鼠早期胚胎中5hmC的起源與動態並不保守。人早期胚胎中部分5hmC修飾會維持至八細胞時期，並且富集在OTX2、TFAP2C和KLF4/5等轉錄因子的結合基序上。研究人員通過5hmC的耗竭或者異位產生實驗以及人早期胚胎中OTX2的敲降實驗，證明了5hmC-增強子-OTX2的互作對於人早期胚胎發育的調控作用。這些發現揭示了5hmC在人早期胚胎發育中的獨特動態以及功能多麵性，為理解人早期胚胎發育過程中的多能性建立、細胞譜係分化和轉錄-表觀調控之間的關係奠定重要基礎。郭帆、曹雲霞、梁丹和賀小進為該研究論文的共同通訊作者，該研究工作得到了國家自然科學基金委、國家科技部和中國科學院提供的多項項目資助。

人早期胚胎發育過程中5hmC的起源、命運與功能

文章連接：https://www.nature.com/articles/s41556-024-01475-y

參考文獻

1. Wen,L. & Tang,F. Human Germline Cell Development: from the Perspective of Single-Cell Sequencing. Mol Cell 76,320-328 (2019).

2. Smith,Z.D. & Meissner,A. DNA methylation: roles in mammalian development. Nat Rev Genet 14,204-220 (2013).

3. He,Y.F. et al. Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA. Science 333,1303-1307 (2011).

4. Ito,S. et al. Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine. Science 333,1300-1303 (2011).

5. Tahiliani,M. et al. Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science 324,930-935 (2009).

6. Kriaucionis,S. & Heintz,N. The nuclear DNA base 5-hydroxymethylcytosine is present in Purkinje neurons and the brain. Science 324,929-930 (2009).

7. Yan,R. et al. Dynamics of DNA hydroxymethylation and methylation during mouse embryonic and germline development. Nat Genet 55,130-143 (2023).