2017年6月16日，我院西部妇幼医学研究院转化医学平台郭帆研究员的最新研究成果在国际知名学术期刊《Cell Research》（影响因子15.6）上发表。研究论文题目为“Single-Cell Multiple Omics Sequencing of Mouse Early Embryos and EmbryonicStem Cells”。该研究在国际上率先发展出了对同一个单细胞同时进行染色质状态、核小体定位、DNA甲基化、基因组拷贝数变异和染色体倍性的表观组多组学测序技术（single-cell COOL-seq），并首次在单细胞、单碱基和多组学层面上对小鼠着床前胚胎的染色质状态以及DNA甲基化修饰的动态变化进行了系统性的分析，发现了哺乳动物早期胚胎在细胞全能性建立过程中的染色质重塑特征及其调控机制。

该研究工作由四川大学华西第二医院和北京大学共同合作完成，通讯作者为我院郭帆研究员和北京大学汤富酬研究员。此研究成果得益于我院西部妇幼医学研究院转化医学平台团队的共同努力和支持，同时得到出生缺陷与相关妇儿疾病教育部重点实验室的有力支撑。该项研究成果为今后人们继续研究哺乳动物早期胚胎细胞全能性的开启奠定了基础，对辅助生殖技术的安全性评估、疾病对子代影响的评价以及胚胎发育异常相关临床疾病的研究具有重要意义，同时为体细胞克隆效率的提高以及不孕不育的临床治疗提供了新思路。

郭帆研究员长期致力于研究哺乳动物早期胚胎发育过程中的表观遗传重编程特征及其机制，过去5年在国际知名学术期刊Cell、Nature、Cell Stem Cell和Cell Research等发表论文共14篇，相关研究工作曾两次入选科技部年度中国科学十大进展。目前实验室主要利用单细胞功能基因组学测序技术、基因编辑技术、胚胎显微操作技术、干细胞体外定向分化技术等方法研究哺乳动物早期胚胎发育和相关疾病发生过程中的表观遗传特征及其调控机制。

                                                             （供稿：郭帆、林玲）

该研究论文主要内容：

哺乳动物的精子和卵细胞具有各自独特的表观遗传组修饰，在受精后需要进行大规模的重编程，进而完成早期胚胎发育所需的染色质重塑过程。对该过程的解析将有利于人们理解胚胎停育、不孕不育和反复流产的发生机制，也是开展相应临床治疗的基础和前提。在该项研究中，研究人员首先建立了可以在单细胞水平上分析染色质状态的表观遗传多组学测序技术，在此基础上对小鼠着床前胚胎所有重要阶段进行了高通量测序分析，发现了哺乳动物早期胚胎独特的染色质重塑特征，包括：（1）在受精之后短暂的12小时内，受精卵中父本和母本的染色质状态发生了剧烈的转变，由精子或卵细胞中的高度凝聚状态转变为高度开放状态，且RNA PolII介导的转录起始在该转变过程中起到了重要作用；（2）与人们先前的认知不同的是，在受精之后的每一个受精卵或单细胞卵裂球中，父本基因组总是在基因间区域保留有相对更高的DNA甲基化水平，而母本基因组则在基因内区域保留有相对更高的DNA甲基化水平，揭示了哺乳动物早期胚胎特有的亲本基因组间DNA甲基化分布的高度不对称性；（3）在哺乳动物早期胚胎中，与细胞多能性建立相关的重要转录因子结合位点早在胚胎二细胞阶段就已经呈现出开放状态，远早于囊胚期内细胞团（Inner Cell Mass）的形成，暗示这些位点作为潜在的顺式调控元件可能参与早期胚胎细胞命运决定过程。（4）受精后，部分基因启动子区域的DNA甲基化或染色质状态在同一时期胚胎内单细胞间具有很强的异质性。然而，启动子区域DNA甲基化异质性强的基因和染色质状态异质性强的基因分别是两类不同的基因，暗示在小鼠着床前胚胎发育的过程中，染色质状态异质性和DNA甲基化异质性可能分别受不同机制的调控。（5）通过对每个单细胞胚胎的染色体倍性和细胞周期进行推断，并且结合已有的小鼠胚胎干细胞中染色质复制起始区域信息，研究人员发现这些区域在小鼠着床前胚胎发育过程中也会发生优先复制，暗示小鼠在着床前胚胎发育过程中很可能使用了和小鼠胚胎干细胞类似的DNA复制起始位点。（6）通过对每个着床前单细胞胚胎的染色体拷贝数进行分析，研究人员发现了小鼠着床前胚胎发育过程中会有染色体拷贝数变异的发生，并且有丝分裂错误很可能是导致该异常发生的主要原因。