“太極生兩儀，兩儀生四象”，恰似胚胎發(fā)育細胞命運決定：從單一受精卵起始，經(jīng)歷二細胞期、四細胞期的有序分裂，最終形成譜系分明的生命藍圖。在這個(gè)精妙的生物學(xué)"太極分化"過(guò)程中，表觀(guān)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、細胞命運異質(zhì)化、第一次細胞命運決定和細胞譜系形成等進(jìn)程。
之前已有研究利用少量細胞 ChIP-seq 技術(shù)揭示了哺乳動(dòng)物著(zhù)床前胚胎細胞發(fā)生劇烈染色質(zhì)狀態(tài)-組蛋白修飾重編程。能否突破傳統遺傳譜系示蹤和單細胞轉錄組等手段不足之處，建立時(shí)間分辨的單細胞全基因組精度、多模態(tài)組蛋白修飾以解析胚胎發(fā)育細胞譜系與關(guān)鍵表觀(guān)基因組調控尚未可知。
2025 年 2 月 26 日，北京大學(xué)何愛(ài)彬團隊在 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(kāi)發(fā)了具有全基因組覆蓋度的單細胞組蛋白修飾檢測新技術(shù)——TACIT 和 CoTACIT，首次構建了小鼠胚胎植入前連續時(shí)間多維組蛋白修飾圖譜，建立了表觀(guān)細胞譜系樹(shù)。
該研究闡明了胚胎從合子到囊胚階段單細胞分辨率的表觀(guān)基因組控制機制，精準確定全能性定義的特征組蛋白修飾與調控元件，并鑒定了調控全能性退出和第一次細胞命運預決定的關(guān)鍵轉錄因子及轉座元件，為理解早期胚胎發(fā)育分子與細胞調控提供了全景表觀(guān)新視角。
突破技術(shù)瓶頸：TACIT與CoTACIT實(shí)現單細胞組蛋白修飾全景分析
傳統單細胞組蛋白修飾檢測技術(shù)受限于起始樣本量和分辨率，難以應用于低起始量的早期胚胎樣本。
何愛(ài)彬團隊開(kāi)發(fā)的 TACIT（Target Chromatin Indexing and Tagmentation）技術(shù)，通過(guò)系列優(yōu)化，包括甲醇固定、提高 Protein A-Tn5 轉座酶活、單管反應防止細胞與 DNA 丟失，從而將單細胞有效讀段數提升近 50 倍, 實(shí)現早期胚胎單個(gè)細胞捕獲讀段數的中位數達 492556。且該技術(shù)可適配低至 20 個(gè)細胞的起始量，信號噪聲比顯著(zhù)優(yōu)于現有方法（包括團隊之前開(kāi)發(fā)的 itChIP-seq 和 CoBATCH，以及 Cut&Tag 類(lèi)似方法）。
研究團隊還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了單細胞表觀(guān)多組學(xué)技術(shù) CoTACIT（Combined assay of Target Chromatin Indexed and Tagmented），實(shí)現著(zhù)床前胚胎同一細胞中多種組蛋白修飾聯(lián)合檢測。
通過(guò) TACIT 和 CoTACIT 技術(shù)，研究團隊繪制了小鼠著(zhù)床前胚胎 3749 個(gè)細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(dòng)態(tài)染色質(zhì)修飾圖譜，捕獲了包含啟動(dòng)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控元件。研究團隊進(jìn)一步以 scRNA-seq 數據為紐帶整合了多模態(tài)組蛋白修飾數據，借助 ChromHMM 分析框架，構建了小鼠早期胚胎染色質(zhì)狀態(tài)動(dòng)態(tài)景觀(guān)。
圖1. 多模態(tài)整合分析流程圖
二細胞階段表觀(guān)異質(zhì)性：命運決定的早期伏筆
“世界上沒(méi)有兩片相同的葉子，正如沒(méi)有兩個(gè)完全相同的細胞”。即便在形態(tài)均質(zhì)的二細胞胚胎階段，表觀(guān)遺傳異質(zhì)性已啟動(dòng)細胞命運決定的“分水嶺”。
研究團隊發(fā)現，在二細胞胚胎中 H3K27ac 等活性修飾已呈現顯著(zhù)細胞間異質(zhì)性。通過(guò)胚胎條形碼 TACIT 技術(shù)追蹤同一胚胎內兩個(gè)細胞的表觀(guān)特征，證實(shí)約 31%-45% 的二細胞胚胎存在胚胎內表觀(guān)差異。且這種異質(zhì)性與 ZGA 激活程度密切相關(guān)。多模態(tài)分析結果顯示，受精卵和 ZGA 激活程度低的二細胞（2cell_1）基因組中含有多價(jià)態(tài)染色質(zhì)狀態(tài)（同時(shí)結合六種組蛋白修飾），而 ZGA 激活程度高的二細胞（2cell_2）中不存在。
圖2. 胚胎條形碼TACIT檢測胚胎內異質(zhì)性
表觀(guān)譜系預測命運分化：全能性退出與第一次細胞命運預決定
進(jìn)一步地，研究團隊用多模態(tài)整合后的染色質(zhì)狀態(tài)信息定義細胞類(lèi)型，以探究細胞命運的表觀(guān)貢獻。研究團隊利用機器學(xué)習鑒定了 2583 個(gè)全能性特征基因組區域，其中 31% 與已知全能性基因重疊，41% 富含轉座元件（如MERVL），而后他們分析這些全能性特征基因組區域富集的轉錄因子基序，并通過(guò) CRISPRa 實(shí)驗證實(shí)，新發(fā)現 CEBPG、LBX1 和 ESR1 等轉錄因子可誘導胚胎干細胞向全能性狀態(tài)轉化。
除此之外，研究團隊鑒定了 ICM 和 TE 特化相關(guān)的表觀(guān)基因組調控區域，并成功預測了囊胚階段前細胞的 ICM 和 TE 譜系分化傾向性（圖3）。siRNA 實(shí)驗驗證篩選出之前未報道與 ICM 和 TE 特化相關(guān)的轉錄因子：YY2、CEBPB、SMAD2 和 HNF4A 調控 ICM 特征，而 KLF6 和 HIF1A 驅動(dòng) TE 分化。有趣的是，研究團隊發(fā)現早期胚胎在四細胞時(shí)期就具有明顯的譜系傾向。
圖3.譜系相關(guān)調控區域和轉錄因子 | A 機器學(xué)習識別譜系相關(guān)調控元件的分析流程圖。B 合成細胞在譜系特異性區間上的染色質(zhì)狀態(tài)注釋情況。C 點(diǎn)圖展示ICM和TE譜系特化相關(guān)轉錄因子
技術(shù)革新與未來(lái)展望
該研究通過(guò)新技術(shù)整合繪制了小鼠從合子到囊胚發(fā)育過(guò)程中包含六種組蛋白修飾的時(shí)間分辨率的單細胞表觀(guān)譜系樹(shù)（圖4），揭示了胚胎內部細胞異質(zhì)性產(chǎn)生以及第一次命運預決定的表觀(guān)機制，為胚胎發(fā)育與細胞命運調控研究提供了一個(gè)新范式。該研究不僅為早期胚胎發(fā)育機制提供了全新認知，相關(guān)研究思路還可拓展至人類(lèi)疾?。ㄈ缒[瘤異質(zhì)性產(chǎn)生的表觀(guān)機制）和再生醫學(xué)領(lǐng)域。
圖4. 著(zhù)床前胚胎細胞表觀(guān)譜系樹(shù)
北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院博士生劉敏、陳旭斌以及吉林大學(xué)第一醫院岳晏竹教授為論文共同第一作者。北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院何愛(ài)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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