“太極生兩儀，兩儀生四象”，恰似胚胎發(fā)育細(xì)胞命運決定：從單一受精卵起始，經(jīng)歷二細(xì)胞期、四細(xì)胞期的有序分裂，最終形成譜系分明的生命藍(lán)圖。在這個精妙的生物學(xué)"太極分化"過程中，表觀遺傳重編程之手，精密控制合子基因組激活（ZGA）、全能性維持與失去、細(xì)胞命運異質(zhì)化、第一次細(xì)胞命運決定和細(xì)胞譜系形成等進(jìn)程。
之前已有研究利用少量細(xì)胞 ChIP-seq 技術(shù)揭示了哺乳動物著床前胚胎細(xì)胞發(fā)生劇烈染色質(zhì)狀態(tài)-組蛋白修飾重編程。能否突破傳統(tǒng)遺傳譜系示蹤和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組等手段不足之處，建立時間分辨的單細(xì)胞全基因組精度、多模態(tài)組蛋白修飾以解析胚胎發(fā)育細(xì)胞譜系與關(guān)鍵表觀基因組調(diào)控尚未可知。
2025 年 2 月 26 日，北京大學(xué)何愛彬團(tuán)隊在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Genome-coverage single-cell histone modifications for embryo lineage tracing 的研究論文。
該研究開發(fā)了具有全基因組覆蓋度的單細(xì)胞組蛋白修飾檢測新技術(shù)——TACIT 和 CoTACIT，首次構(gòu)建了小鼠胚胎植入前連續(xù)時間多維組蛋白修飾圖譜，建立了表觀細(xì)胞譜系樹。
該研究闡明了胚胎從合子到囊胚階段單細(xì)胞分辨率的表觀基因組控制機(jī)制，精準(zhǔn)確定全能性定義的特征組蛋白修飾與調(diào)控元件，并鑒定了調(diào)控全能性退出和第一次細(xì)胞命運預(yù)決定的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子及轉(zhuǎn)座元件，為理解早期胚胎發(fā)育分子與細(xì)胞調(diào)控提供了全景表觀新視角。
突破技術(shù)瓶頸：TACIT與CoTACIT實現(xiàn)單細(xì)胞組蛋白修飾全景分析
傳統(tǒng)單細(xì)胞組蛋白修飾檢測技術(shù)受限于起始樣本量和分辨率，難以應(yīng)用于低起始量的早期胚胎樣本。
何愛彬團(tuán)隊開發(fā)的 TACIT（Target Chromatin Indexing and Tagmentation）技術(shù)，通過系列優(yōu)化，包括甲醇固定、提高 Protein A-Tn5 轉(zhuǎn)座酶活、單管反應(yīng)防止細(xì)胞與 DNA 丟失，從而將單細(xì)胞有效讀段數(shù)提升近 50 倍, 實現(xiàn)早期胚胎單個細(xì)胞捕獲讀段數(shù)的中位數(shù)達(dá) 492556。且該技術(shù)可適配低至 20 個細(xì)胞的起始量，信號噪聲比顯著優(yōu)于現(xiàn)有方法（包括團(tuán)隊之前開發(fā)的 itChIP-seq 和 CoBATCH，以及 Cut&Tag 類似方法）。
研究團(tuán)隊還進(jìn)一步開發(fā)了單細(xì)胞表觀多組學(xué)技術(shù) CoTACIT（Combined assay of Target Chromatin Indexed and Tagmented），實現(xiàn)著床前胚胎同一細(xì)胞中多種組蛋白修飾聯(lián)合檢測。
通過 TACIT 和 CoTACIT 技術(shù)，研究團(tuán)隊繪制了小鼠著床前胚胎 3749 個細(xì)胞的全基因組六種組蛋白修飾（H3K4me1、H3K4me3、H3K27ac、H3K36me3、H3K27me3和H3K9me3）和一種組蛋白變體 H2A.Z 的動態(tài)染色質(zhì)修飾圖譜，捕獲了包含啟動子、增強子、基因體、異染色質(zhì)和組蛋白變體的幾乎所有功能調(diào)控元件。研究團(tuán)隊進(jìn)一步以 scRNA-seq 數(shù)據(jù)為紐帶整合了多模態(tài)組蛋白修飾數(shù)據(jù)，借助 ChromHMM 分析框架，構(gòu)建了小鼠早期胚胎染色質(zhì)狀態(tài)動態(tài)景觀。
圖1. 多模態(tài)整合分析流程圖
二細(xì)胞階段表觀異質(zhì)性：命運決定的早期伏筆
“世界上沒有兩片相同的葉子，正如沒有兩個完全相同的細(xì)胞”。即便在形態(tài)均質(zhì)的二細(xì)胞胚胎階段，表觀遺傳異質(zhì)性已啟動細(xì)胞命運決定的“分水嶺”。
研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在二細(xì)胞胚胎中 H3K27ac 等活性修飾已呈現(xiàn)顯著細(xì)胞間異質(zhì)性。通過胚胎條形碼 TACIT 技術(shù)追蹤同一胚胎內(nèi)兩個細(xì)胞的表觀特征，證實約 31%-45% 的二細(xì)胞胚胎存在胚胎內(nèi)表觀差異。且這種異質(zhì)性與 ZGA 激活程度密切相關(guān)。多模態(tài)分析結(jié)果顯示，受精卵和 ZGA 激活程度低的二細(xì)胞（2cell_1）基因組中含有多價態(tài)染色質(zhì)狀態(tài)（同時結(jié)合六種組蛋白修飾），而 ZGA 激活程度高的二細(xì)胞（2cell_2）中不存在。
圖2. 胚胎條形碼TACIT檢測胚胎內(nèi)異質(zhì)性
表觀譜系預(yù)測命運分化：全能性退出與第一次細(xì)胞命運預(yù)決定
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊用多模態(tài)整合后的染色質(zhì)狀態(tài)信息定義細(xì)胞類型，以探究細(xì)胞命運的表觀貢獻(xiàn)。研究團(tuán)隊利用機(jī)器學(xué)習(xí)鑒定了 2583 個全能性特征基因組區(qū)域，其中 31% 與已知全能性基因重疊，41% 富含轉(zhuǎn)座元件（如MERVL），而后他們分析這些全能性特征基因組區(qū)域富集的轉(zhuǎn)錄因子基序，并通過 CRISPRa 實驗證實，新發(fā)現(xiàn) CEBPG、LBX1 和 ESR1 等轉(zhuǎn)錄因子可誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞向全能性狀態(tài)轉(zhuǎn)化。
除此之外，研究團(tuán)隊鑒定了 ICM 和 TE 特化相關(guān)的表觀基因組調(diào)控區(qū)域，并成功預(yù)測了囊胚階段前細(xì)胞的 ICM 和 TE 譜系分化傾向性（圖3）。siRNA 實驗驗證篩選出之前未報道與 ICM 和 TE 特化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子：YY2、CEBPB、SMAD2 和 HNF4A 調(diào)控 ICM 特征，而 KLF6 和 HIF1A 驅(qū)動 TE 分化。有趣的是，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)早期胚胎在四細(xì)胞時期就具有明顯的譜系傾向。
圖3.譜系相關(guān)調(diào)控區(qū)域和轉(zhuǎn)錄因子 | A 機(jī)器學(xué)習(xí)識別譜系相關(guān)調(diào)控元件的分析流程圖。B 合成細(xì)胞在譜系特異性區(qū)間上的染色質(zhì)狀態(tài)注釋情況。C 點圖展示ICM和TE譜系特化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子
技術(shù)革新與未來展望
該研究通過新技術(shù)整合繪制了小鼠從合子到囊胚發(fā)育過程中包含六種組蛋白修飾的時間分辨率的單細(xì)胞表觀譜系樹（圖4），揭示了胚胎內(nèi)部細(xì)胞異質(zhì)性產(chǎn)生以及第一次命運預(yù)決定的表觀機(jī)制，為胚胎發(fā)育與細(xì)胞命運調(diào)控研究提供了一個新范式。該研究不僅為早期胚胎發(fā)育機(jī)制提供了全新認(rèn)知，相關(guān)研究思路還可拓展至人類疾?。ㄈ缒[瘤異質(zhì)性產(chǎn)生的表觀機(jī)制）和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
圖4. 著床前胚胎細(xì)胞表觀譜系樹
北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院博士生劉敏、陳旭斌以及吉林大學(xué)第一醫(yī)院岳晏竹教授為論文共同第一作者。北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院何愛彬教授為本文通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張強鋒教授和團(tuán)隊博士研究生田康和李雨哲對本研究提供了支持和幫助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08656-1
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