A paper A Week-2021-12-27

大家好，本周给大家分享的是一篇2020年9月17日发表在nature communication上使用ATAC-seq实验数据探究牛胚胎染色质重塑表明基因组激活的物种特异性调控的文章。

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文章题目： Chromatin remodeling in bovine embryos indicates
species-specific regulation of genome activation

期刊： nature communication

影响因子： 12.1

发文单位：Department of Animal Science, University of California, Davis, CA 95616, USA

文章作者： Pablo J. Ross为通讯作者。

摘要：
胚胎从受到母体调控到胚胎自身调控的转变是胚胎着床前的一个重要里程碑。期间，广泛的转录组学和表观重塑促进了从终末分化的配子到全能卵裂球的转变。但是，调节胚胎基因组活化（EGA）的转录因子(TF)和基因组调控元件定义还不明确。为了加深我们对哺乳动物EGA的理解，本文描绘了牛胚胎着床前发育过程中开放染色质情况。在EGA之前，开放的染色质由母源TF结合，这一活动与人类和老鼠类似。在EGA期间，来源于胚胎自身转录的同源框因子（homeobox TF）结合变得更加普遍。开放染色质的跨物种比较分析发现，与小鼠相比，牛和人类EGA的调控回路具有更强的相似性。此外，与小鼠EGA相关的TFs并没有在人和牛中复现，表明牛对于模拟人类胚胎着床前的发育相较于小鼠而言，能提供更有价值的参考信息。

方法
从当地屠宰场采购的卵巢，抽取卵泡，获得含有卵母细胞的复合体，培养成熟后获得MII卵母细胞，体外授精，培养至胚胎干细胞
不同时期的收获细胞进行ATAC-seq测序。

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结果一：展示牛胚胎着床前，染色质开放性的动态变化

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方法：利用ATAC-seq数据将基因组分为500bp的窗口大小，每个窗口都计算FPKM值，然后PCA可视化。

通过PCA发现染色质的大规模重塑与EGA的大量发生一致（从4-cell---8-cell）

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利用ATAC-seq数据分析得到不同发育阶段的peak峰在基因组的分布（距离TSS近端/远端）和数量（多少）情况。发现随着染色质变得更加结构化，特异性位点变得更加稳定，特定peak开始富集。在4细胞、8细胞和桑葚胚阶段的胚胎中逐渐增加。其中，2-cell时期富集的peak最少，多项研究表明EGA前的胚胎基因组呈高度分散的染色质，导致整个基因组的开放性水平相似【背景噪音大，难富集特定峰】

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作者再进一步分析了不同发育阶段共享和特异的染色质开放

结果二：阶段特异性开放染色质具有不同的功能

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不同发育阶段的peak具有阶段特异性且富集阶段特异性TFs。这里，作者以4cell和8cell发育阶段为例，详细阐述了参与这两个阶段的TFs。包括，4cell时期的NFKB家族（母源因子），8cell时期的同源盒TFs，DUXA家族。

结果三：逐渐建立的开放染色质为EGA奠定了基础【各个阶段共享的开放染色质】

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这些阶段共享的开放染色质peak主要富集CTCF，KLF5转录因子。
主要是建立胚胎基因组的三维染色质结构的作用。

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共享的peaks大部份是proximal peak且2-4cell保守的近端peak富集管家功能。

结果四：母源因子和转录驱动染色质重塑

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为了进一步分析母源因子对染色质重编程和EGA的贡献，在培养基中加入α-鹅膏蕈碱以抑制POLR2（RNA聚合酶II）依赖的转录延伸，发现胚胎转录的缺失显著抑制了ATAC-seq peak的出现。另外，作者发现转录抑制优先破坏发育阶段特异性peaks。

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更近一步的分析表明，在8-cell，转录抑制显著降低homeoboxes类型的TFs的结合活性，并不影响母源因子的结合活性

结果五：重复元件在开放染色质中的富集

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有报道研究重复元件在EGA发挥调控功能，在牛着床前发育过程中这方面的研究比较少。这里，作者发现LINE显示出在peak开放与表达都上升的趋势【从8细胞开始】
哺乳动物的LTR和ERVLs从8细胞阶段开始在开放染色质中越来越丰富，尽管它们的表达在整个发育过程中下降，这表明可能有其他机制调控重复表达。

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TE元件能结合TF，替代调控元件的功能，从而作用基因表达。

结果六：物种间EGA比较

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MZT的调控在不同哺乳动物可能不同
基因组调控元件往往进化迅速，难以确定同源区域和比较不同物种的可及性。
另一方面，开放染色质中包含的序列可以表明在特定的细胞类型中哪些调控因子是活跃的。
因此，比较了牛、人、小鼠胚胎和ESC的开放染色质景观所富集的motif。为了确定哺乳动物EGA的潜在调控因子，我们比较了不同物种和不同发育阶段的TF基序的富集情况。

总结：哺乳动物基因组激活模型

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在受精后，染色质致密结构被解开，此时的染色质允许母体转录因子结合到DNA，初级EGA在此时开启，并开始建立三维染色质结构，这为主要EGA奠定了基础，其中母源产物、初级EGA产物和启动子-增强子接触介导了基因表达，并继续完善三维染色质结构。

结论
1、peak在牛胚胎植入前发育过程中的逐步增加
2、在主要EGA之前建立的peak中主要富集母源TF的结合位点(CTCF, NFY, SP factors, KLFs)
3、在胚胎基因组的活化（EGA）期间， homeobox TF(OTX1, GSC,DUX factors结合变得更加普遍
4、胚胎植入前发育过程中开放染色质的跨物种比较显示，与小鼠相比，牛和人的EGA的调控回路具有很强的相似性
5、重复元件可能在EGA过程中，充当调控元件的功能
6、与小鼠EGA相关的TFs（RARG, NR5A2, ESRRB）在牛或人体内不富集，这表明对于人着床前发育模型应用，牛可能比小鼠更能提供信息

文章链接地址：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18508-3