我校生命学院黄行许教授课题组与中国科学院北京基因组研究所刘江研究员课题组合作，利用少量细胞Hi-C技术，成功描绘小鼠雌雄配子以及不同发育阶段胚胎中染色质相互作用图谱，揭示了哺乳动物早期胚胎发育过程中染色质高级结构动态变化的规律，相关成果于2017年7月13日以“3D chromatin structures of mature gametes and structural reprogramming during mammalian embryogenesis” 为题，在国际顶尖学术期刊《Cell》上在线发表。
对于大多数动物包括人类而言，生命起始于精子和卵子的结合。然而，精子的细胞核、卵子的细胞核结构却和我们身体中其它的体细胞存在非常大的差别。精子细胞核非常小、只有普通细胞核的1/10左右，染色体被精蛋白包装，处于一种高度压缩的状态；而成熟卵子的细胞核却处于分裂中期，染色体也处于一种高度压缩的状态，与多数细胞仍然具有非常大的差别。因此精子和卵子受精后，细胞核中的染色体如何变化，如何变成正常的细胞染色体，是个一直未被了解的科学问题。同时，了解哺乳动物发育过程中染色体高级结构的变化，有利于我们理解人是如何从受精卵发育成个体。
最近的研究揭示，构成染色质3D结构的单元是拓扑相关区域（TAD，topologically associated domain），它与组蛋白修饰、基因表达以及DNA的复制有关。由TAD为基础形成的更高级的结构可以分为A组份和B组份（Compartment A/B），A组份区域内的基因倾向于转录活化状态而B组份则倾向于失活状态。
基于该研究背景，我校黄行许课题组和中国科学院北京基因组研究所刘江课题组合作，对上述问题进行研究。由于哺乳动物配子和早期胚胎的数量非常有限，研究团队解决了使用少量细胞建立3D染色体结构图谱的难题，从而获得小鼠精子、卵子和早期胚胎的高分辨率染色体高级结构图谱。
研究结果显示，卵细胞不含有拓扑结构域(TADs)，而在精子中普遍存在超远程染色体的相互作用。同时，受精后随着亲本基因组的融合，父源和母源的高级结构变得模糊，但在胚胎发育进程中TAD逐渐建立并在原肠胚阶段形成清晰的TAD界线。研究进一步显示，染色体高级结构的建立不依赖于受精卵基因组转录的激活、而是依赖于基因组的复制。除此之外，本研究首次发现染色体的高级结构与DNA甲基化的关联，并且发现早期发育的DNA去甲基化也与染色体的高级结构相关。
此次研究成果揭示出，在哺乳动物早期胚胎发育过程中，染色质高级结构会发生显著的重编程。这为深入了解哺乳动物如何从受精卵发育成一个多功能的个体打下了重要的基础，为研究者认识早期胚胎中真实的3D基因组结构做了良好的铺垫，哺乳细胞早期胚胎发育高分辨率染色体高级结构图谱数据将为表观遗传、生物信息研究领域提供宝贵的资源，帮助揭示胚胎发育的奥秘。
该论文中，上海科技大学黄行许组博士后许亚男和研究生冯松杰为其中的共同第一作者，黄行许为共同通讯作者。
论文链接：http://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(17)30713-4
早期胚胎发育课程中TADs建立的动态变化模式图
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