Polycomb Group Proteins Regulate Chromatin Architecture in Mouse Oocytes and Early Embryos
本文需要一些对于Hi-C和染色质不同层级构象的背景知识(compartments和TADs)，可以先看：http://www.360doc.com/content/19/0411/23/52645714_828152611.shtml
Highlights
- Hi-C analysis of meiotic chromatin architecture during mouse oocyte development
- Late-stage mouse oocytes show unique H3K27me3-marked Polycomb-associating domains
- PADs disassemble upon meiotic resumption but briefly reappear in early embryos
- PADs are regulated by Polycomb proteins and independent of cohesin
实验中主要用到的技术：
low-input Hi-C (genome-wide chromatin conformation capture)
背景
During gametogenesis and early embryogenesis, extensive epigenetic reprogramming occurs for histone modifications and DNA methylation
哺乳动物的卵细胞发生过程中，染色质经历了剧烈的构象变化，但是具体的染色质的三维结构动态变化仍然了解不多。本文作者利用低起始量Hi-C技术(sisHi-C)，发现在小鼠卵细胞发生过程中曾出现过一种独特的染色质三维构象，即PADs(Polycomb-associating domains)。PADs会在减数分裂从双线期恢复时解体并在受精后的母源染色质中重现。
然而在去除PRC1蛋白以后，卵细胞内的PADs减弱，本文说明了polycomb复合物在哺乳动物卵细胞发生期间调控染色质结构的关键作用。
Results
全局的染色质组织结构Global Chromatin Organization
作者收集了原生殖细胞PGC、胚胎干细胞mESC、不同阶段的卵细胞GO进行了Hi-C数据分析与相互作用热图绘制。在数据分析中发现卵细胞本身的染色体间reads数量较PGC和mESC更少，且随着卵细胞发育，染色体间Reads数也减少，可能的原因是细胞核的体积增大造成染色体之间更分散。
上图可以看出PGC和mESC比较相似，而有别与GO.最下面的热图放大，可以看出卵细胞越发育到后期，较大范围的相互作用明显减少，而呈现出比较零散的状态。
GOs II and FGOs appear to have a local compartment-like structure (described below), while MII oocytes entirely lack defined compartments but instead show a uniform chromatin interaction profile as reported before
作者还分析了不同发育阶段细胞内染色质相互作用范围的分布变化：
发育较晚期的细胞在(1–10 Mb)的互作信号值最强，而在(>50 Mb的水平上相较mESC则要低。
滤泡发育期的PADs建立
接下来作者把重点放在生长和成熟期卵细胞的染色质结构动态变化上。结合上述全局染色质结构中我们比较出晚期卵细胞的格子样pattern消失，这意味着compartmentA和compartmentB的减弱。
作者应用了PCA和相关性热图来寻找compartments(使用PCA鉴定大范围compartments的文献参考：Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome): 分辨精度是1Mb
可以看出mESC和GO1的compartments比较相似，然而在GOs II中，用PCA及相关性热图基本上找不到compartments。在FGO中，发现了一种新的compartments（可以看出对应的在PC1中的值为负，蓝色，这里的正负可以根据基因密度进行确定，positive value对应compartmentA反之为B，或者就是correlation coefficient具体参考：https://www.nature.com/articles/nature14222）。
放大来看，实际上GOII和FGO都是一种比较细微的compartments，不如mESC这些范围更大更明显。这些实验说明了在卵细胞发育过程中一种从conventional compartments到local chromatin compartments染色质状态的转换。
不过之前文献里介绍的这种PCA的方法只能部分捕获FGO里的local compartments，其着眼点是在全局的染色质互作上，对于更精细的local compartments内的pattern效果不好（鉴于Hi-C数据是低密度的，作者使用了以前的sliding windows方法。一般是bin size of 400kb and the step size of
100kb）。并改进了PCA方法，使得其可以鉴定local interactions（改变bins和step的大小，(contact matrices of 10Mb bins, with step size of 5Mb, with bin size 20kb)）
由此，基因组区域可以划分成两类：一类是有较强self-interactions和inter-domain interactions的compartments，如白色箭头所示；一类是compartments间区。同时为了更好地理解这些compartments的特性，作者比较了其location与FGOs已知的表观遗传tracks，发现强相互作用的区域和H3K27me3相关（mESC作为对照没有这种区域)，把这种内部有强相互作用且与H3K27me3关联的染色质区域称作PAD（Polycomb-associating domains)，在PAD之间的区域称作inter-PAD (iPAD)，相互作用强度从大到小依次为：PAD-PAD、iPAD-PAD、iPAD-iPAD
除此之外，作者也对PADs/iPADs和其他的表观遗传tracks、染色质构象如compartments的feature以及分布进行了比较。比如在不同细胞分布中的广泛性，PAD只在GOs II和FGOs中有，而compartments则广泛分布；PAD 和iPAD之间在基因密度和GC偏倚上不如compartments明显等等。
总结：
Taken together, our data reveal a unique PAD chromatin organization in late-stage oocytes that is distinct from conventional compartments A and B, typical Polycomb target interactions, and transcription-correlated compartmental domains.
PADs Do Not Require Cohesin
鉴于PADs和TADs的相似性，而TAD formation与cohesin有关，作者想知道PADs的形成是否也与cohesin有关，于是敲除了cohesin蛋白重要亚基Scc1。然而在这种情况下PADs相互作用反而还加强了。这意味着cohesin对于PADs非必需，而且可能对它的形成有拮抗作用。
Dynamics of TADs and PADs during Oocyte Development
TAD的边界可以分为三种，一种是和PAD边界重合一致的，一种是在iPAD内的，一种是在PAD内的。第一类在GOII以及FGO中都存在，其他的则有消失趋势。
以前文献中有提到FGOs成熟会经历一个大范围基因沉默和染色质紧缩的过程(NSN to SN)，有没有可能PADs与这种转录沉默有关？
PADS在NSN和SN均有存在，结合其他实验证据，也表明了PADs和转录沉默的建立没有太大关系。
PADs Are Disassembled after Exiting from Diplotene Arrest but Briefly Reappear in Preimplantation Embryos
作者发现PADs and PAD/iPAD会经历解体又重建的过程，而且重建只会在maternal基因组上发生：
上图展示了maternal基因组相对paternal基因组的HiC图谱，箭头示不同PADs之间的相互作用。在受精后胚胎的母系基因组上PADs发生重建(应该是把Hi-C的reads根据不同品系的母源父源基因组在snp上的差异来assign)。
PADs in Oocytes and Early Embryos Depend on Polycomb Proteins
因为PADs和H3K27me3有关，所以猜想经典的polycomb可能与PADs的形成有关。作者敲除了Eed,一种PRC2的关键组分。作者发现PRC2虽然对于PADs一开始的建立影响不大，但它和H3K27me3对于PADs在母源基因组上的重建是必需的：
除了PRC2，作者对PRC1也进行了类似的探究。并应用了RNA-seq探究PADs和基因表达的关系。
PRC1对于PADs相互作用是必须的：
Discussion
比较有趣的一个问题是为什么PADs仅在小鼠卵细胞中出现？在小鼠卵细胞发育过程中的compartmentsAB的减弱可能与染色质更好地分离有关。
另一个问题是为什么PADs会在母源基因组受精以后重建？以及为什么PADs在2细胞期时互作最强？
PADs在胚胎发育过程中到底有什么生物学功能？作者认为可能和基因沉默保证正确的等位基因特异性表达有关：
These data support the possibility that perhaps PADs separate the oocyte genome into defined compartments to ensure proper gene repression. In mouse embryos, oocyte-inherited H3K27me3 domains play critical roles in instructing the allele-specific transcription of Xist gene and several other imprinted genes
后续研究需要进一步探讨PADs在胚胎发育和配子发生中的具体功能及其调控因子。
Reference
这篇文章用到的分析方法很丰富，可供参考：
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.11.011