染色體三維結(jié)構(gòu)是重要的表觀遺傳因素，與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。研究染色體三維結(jié)構(gòu)在人類精子及早期胚胎中的動態(tài)變化和調(diào)控分子對于深入理解人類胚胎發(fā)育有重要的理論和臨床意義。人類個體發(fā)育從精卵結(jié)合形成受精卵開始，經(jīng)歷早期胚胎發(fā)育過程，由一個細(xì)胞逐漸分裂分化形成一個含有上百種細(xì)胞類型、多種器官的復(fù)雜有機(jī)體，但人類精子和卵子受精后，細(xì)胞核中的染色體結(jié)構(gòu)如何變化，哪些生物學(xué)分子會影響胚胎中的染色體結(jié)構(gòu)變化，一直以來是未被解決的科學(xué)問題。此外，精子在形態(tài)和功能上與其他終末分化的細(xì)胞截然不同，染色體在人類精子中如何壓縮折疊還并不清楚。

近日，中國科學(xué)院北京基因組研究所劉江團(tuán)隊與山東大學(xué)附屬生殖醫(yī)院陳子江團(tuán)隊合作，對精子及人類早期胚胎發(fā)育過程中的染色體結(jié)構(gòu)動態(tài)變化情況進(jìn)行了描繪。研究成果于12月5日在線發(fā)表于《自然》（Nature）。

基因組的三維結(jié)構(gòu)是由拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（TAD）基本單元構(gòu)成，研究結(jié)果顯示，在成熟的人類精子中沒有TAD結(jié)構(gòu)并且沒有檢測到染色質(zhì)調(diào)節(jié)蛋白CTCF，這與在小鼠精子中的情況完全不同。受精后，胚胎中TAD結(jié)構(gòu)非常模糊，在后續(xù)的胚胎發(fā)育中染色體逐漸建立清晰的TAD結(jié)構(gòu)。研究還發(fā)現(xiàn)，A/B區(qū)室結(jié)構(gòu)在人的2細(xì)胞期胚胎中消失，然后在后續(xù)發(fā)育中重新建立。值得注意的是，不同于小鼠胚胎和果蠅胚胎，在人類早期胚胎中阻斷合子基因組激活（ZGA）可以抑制TAD結(jié)構(gòu)的建立。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)CTCF蛋白在合子基因組激活之前表達(dá)量非常有限，在TAD結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的合子基因組激活時期表達(dá)量會迅速上升。在胚胎中敲低CTCF蛋白可以導(dǎo)致TAD結(jié)構(gòu)顯著變?nèi)?，這表明在合子基因組激活時CTCF蛋白的表達(dá)對于人類早期胚胎的TAD結(jié)構(gòu)建立至關(guān)重要。

該研究首次揭示了人類早期胚胎中的染色體三維結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，并發(fā)現(xiàn)CTCF蛋白對于早期胚胎發(fā)育中TAD結(jié)構(gòu)的重要調(diào)控功能，為進(jìn)一步揭示人類胚胎發(fā)育機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。

該研究得到國家重點研發(fā)計劃“生殖健康及重大出生缺陷防控”重點專項、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金等資助。

論文鏈接

CTCF在人的精子和早期胚胎中染色體三維結(jié)構(gòu)重建中的關(guān)鍵作用

來源： 北京基因組研究所