EMBO J丨苗义良团队揭示H3K4me3在动物早期胚胎发育中建立及调控功能

组蛋白H3第4位赖氨酸的三甲基化（H3K4me3）是真核生物中高度保守的表观遗传修饰之一，广泛参与细胞分化、发育及疾病发生等生物学过程。在哺乳动物中，H3K4me3由SET1/MLL复合体催化建立，该复合体包括多种H3K4甲基转移酶 （SETD1A、SETD1B、MLL1和MLL2） 以及多个必要蛋白亚基。尽管H3K4me3是活跃基因启动子上的标志性修饰，但其在基因表达调控中的功能仍未完全阐明，尤其是在哺乳动物早期胚胎中，H3K4me3的分布模式发生了显著的重编程：在合子基因组激活（Zygotic Genome Activation, ZGA）之前呈现与转录沉默相关的非经典模式，而在ZGA期间转变为与活跃基因启动子相关的经典模式。然而，这两种H3K4me3分布模式的形成机制及其调控功能仍不明确。

2024年12月5日，华中农业大学苗义良教授领衔的动物克隆与干细胞研究团队在EMBO Journal期刊上发表题为Histone methyltransferases MLL2 and SETD1A/B play distinct roles in H3K4me3 deposition during the transition from totipotency to pluripotency的研究论文，揭示了组蛋白甲基转移酶MLL2和SETD1A/B在胚胎细胞由全能性向多能性转变过程中对H3K4me3建立和胚胎发育的不同调控作用。

研究人员首先通过分析小鼠早期胚胎的转录组和翻译组数据，确定了胚胎中主要表达H3K4甲基转移酶MLL2和SETD1A。随后，分别敲低Mll2和Setd1a/b （单独敲低Setd1a会引发Setd1b的代偿表达） ，并在ZGA前的早2细胞期、ZGA发生的晚2细胞期以及ZGA后的桑椹胚期检测H3K4me3的富集变化。结果显示，MLL2不仅负责ZGA前非经典H3K4me3的建立，还参与ZGA期间经典H3K4me3的形成，而SETD1A/B则主要负责ZGA后经典H3K4me3的建立。此外，使用转录抑制剂短时处理晚2细胞胚胎和桑椹胚，结果显示该处理显著降低了ZGA后由SETD1A/B介导的H3K4me3建立，但对ZGA期间由MLL2介导的H3K4me3建立无影响。基于此，研究人员将胚胎中H3K4me3分为两种类型：MLL2催化的转录独立型（Transcription-independent）H3K4me3和SETD1A/B催化的转录依赖型（Transcription-dependent）H3K4me3。

研究人员进一步探究了转录独立型和转录依赖型H3K4me3在小鼠早期胚胎发育中的功能。首先，无论是敲低Mll2和过表达Kdm5b以降低早2细胞期的非经典H3K4me3富集，还是敲低Kdm5b和使用KDM5抑制剂来增加晚2细胞期的非经典H3K4me3富集，都不会影响胚胎整体的基因表达。此外，晚2细胞期经典H3K4me3富集的增加或减少对ZGA基因表达的影响微乎其微，这些结果表明MLL2催化的转录独立型H3K4me3在胚胎全能性阶段存在非指导性作用。然而，通过敲低Setd1a/b或使用KDM5抑制剂改变ZGA后胚胎的H3K4me3富集，这会显著影响决定细胞命运谱系分化的关键基因表达，并导致囊胚发育受损。因此，由SETD1A/B催化的转录依赖型H3K4me3在调控胚胎多能性建立和植入前囊胚形成过程中发挥了重要作用。

上述研究结果揭示了早期胚胎在从细胞全能性向多能性转变过程中，MLL2和SETD1A/B通过接力方式介导H3K4me3富集动态转变的机制，这为解析早期胚胎发育的表观遗传调控机制提供了新的科学依据。

华中农业大学苗义良教授和刘鑫副研究员为本文的共同通讯作者，博士生张晶晶和孙巧然为共同第一作者。

苗义良课题组长期致力于哺乳动物早期胚胎发育和干细胞的研究，迄今已在Molecular Cell、Cell Reports、Genome Research、Nature Communications、Autophagy等期刊发表90多篇研究论文。课题组因发展需要，长期招聘博士后科研人员，热烈欢迎具有生物信息学和发育生物学背景，有志于动物干细胞与胚胎发育研究的青年才俊加入。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s44318-024-00329-5

制版人：十一

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