表观遗传学

来自中国科学院动物研究所、北京大学的研究人员在新研究中，解析了小鼠精子发生过程中5-羟甲基胞嘧（5-hydroxymethylcytosine，5hmC）的动态机制，相关论文“Dynamics of 5-hydroxymethylcytosine during mouse spermatogenesis”发表在6月13日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

来自中科院动物研究所的韩春生(Chunsheng Han)研究员和北京大学生命科学学院的汤富酬(Fuchou Tang)研究员是这篇论文的共同通讯作者。

精子发生(spermatogenesis)是一高度特化的细胞复杂分化过程,包括精原细胞发育为精母细胞,精母细胞经过两次减数分裂成为圆形精细胞,然后圆形精细胞经过细胞变态形成精子。该过程以减数分裂、染色质重建与包装、转录重组等生殖细胞特异性事件为特征,表观遗传修饰在减数分裂重组、联会复合物的形成、姊妹染色体的结合、减数分裂后精子的变态、基因表达阻遏和异染色质形成过程中发挥着重要作用。

DNA甲基化是最早发现的表观遗传修饰途径之一，是指在DNA甲基化转移酶的作用下，将S-腺苷甲硫氨酸提供的甲基基团共价结合到CpG二核苷酸的胞嘧啶5’碳位上，形成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC）的过程。近年来的研究发现，通过Tet家族双加氧酶（dioxygenases），还可将5mC转化成另外一种修饰形式：5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5hmC）。这些表观遗传学修饰也被称为DNA的第5种，和第6种碱基。研究证实，在原始生殖细胞（PGC）重编程和生殖细胞发育过程中存在有5mC和5hmC的动态变化，表明两者在减数分裂和印记基因的表观重编程，以及转录调控中均起着重要的作用。

在这篇新文章中，研究人员对5hmC在精子发生过程中的整体动态模式进行了解析。首先，他们采用液相色谱-串联质谱法对8个时期的小鼠精原细胞中的5hmC进行了绝对定量，随后采用化学标记与富集技术结合深度测序，在各个基因组区域绘制了5hmC的分布。研究人员发现在与蛋白质编码基因、piRNA前体基因和重复元件相关的基因组区域，5hmC存在位置差异，发生了动态改变。并且，5hmC的含量与RNA-seq定量的各种转录物水平有关。

这些结果表明，5hmC在小鼠基因组中高度有序的变化，对于精原细胞的分化至关重要。新研究对于深入了解表观遗传修饰在生殖细胞发生发育过程中的作用，以及研究男性不育等相关疾病机制具有重要的意义。

原文摘要：

Dynamics of 5-hydroxymethylcytosine during mouse spermatogenesis

Little is known about how patterns of DNA methylation change during mammalian spermatogenesis. 5hmC has been recognized as a stable intermediate of DNA demethylation with potential regulatory functions in the mammalian genome. However, its global pattern in germ cells has yet to be addressed. Here, we first conducted absolute quantification of 5hmC in eight consecutive types of mouse spermatogenic cells using liquid chromatography-tandem mass spectrometry, and then mapped its distributions in various genomic regions using our chemical labeling and enrichment method coupled with deep sequencing. We found that 5hmC mapped differentially to and changed dynamically in genomic regions related to expression regulation of protein-coding genes, piRNA precursor genes and repetitive elements. Moreover, 5hmC content correlated with the levels of various transcripts quantified by RNA-seq. These results suggest that the highly ordered alterations of 5hmC in the mouse genome are potentially crucial for the differentiation of spermatogenic cells.

作者简介：

韩春生

男，1968年3月出生于山西省晋中市，博士，研究员，博士生导师；中国科学院动物研究所生物信息学研究组组长。

中科院“百人计划”海外杰出人才入选者。1990年复旦大学遗传工程专业本科毕业，1993年获生殖生物学国家重点实验室生理学硕士，2000年获美国密苏里州立大学生物化学博士学位，2000年至2003年任美国Lexicon Genetics & Pharmaceuticals 公司高级生物信息科学家。美国生殖生物学学会会员。曾从事包括胚胎着床、干扰素信号传导、基因制药以及生物信息学等领域的研究，在"PNAS"、 "Endocrinology"、"Biology of Reproduction"、"Current Opinion in Biotechnology"等杂志上发表学术论文。目前的研究重点有两个：第一，面向不育治疗新技术及新型转基因技术的研发，建立精原干细胞的体外培养、转基因及移植技术，以精原干细胞为模型对干细胞的增殖与分化及精子发生机理进行研究；第二，面向新一代避孕药物的研发，利用生物信息学手段挖掘配子发生过程中的重要基因（蛋白质编码基因和小分子RNA），利用分子生物学、细胞生物学、转基因小鼠等技术对基因的功能进行深入研究。承担国家自然科学基金、科技部重大研究计划、“973”等项目的研究课题。

汤富酬

理学博士，北京大学，2003，生物学
理学学士，北京大学，1998，生物学
2004-2010，英国剑桥大学Gurdon研究所，博士后
2010-现在，北京大学BIOPIC，研究员

主要研究方向
具有自我更新能力和分化潜能的干细胞是哺乳动物胚胎发育过程中以及成体中的关键种类的细胞，对各种干细胞进行深入研究是理解哺乳动物发育、生长机制的关键，也是将干细胞应用于临床再生医学、治疗人类疾病的前提。本实验室主要围绕哺乳动物早期胚胎发育、研究胚胎干细胞（Embryonic Stem cells）和上胚层干细胞（Epi-Stem cells）的自我更新能力（Self-renewal ability）和多能性（Pluripotency）调控的分子机理，特别是表观遗传学调控机理（Epigenetic regulation），以及相关的原始生殖细胞（Primordial Germ cells）发育过程中的表观遗传学重编程（Epigenetic reprogramming）机理。利用我们发展的单细胞microRNA表达谱分析技术（Single cell microRNA profiling）、基于深度测序的单细胞数字转录组分析技术（single cell RNA-Seq digital transcriptome analysis）、单细胞基因分型技术（Single cell genotyping）、以及染色体免疫共沉淀-深度测序技术（ChIP-Seq）、小鼠胚胎显微操作技术深入分析多能性干细胞的动态基因表达网络和表观遗传学调控。